DE102022115273A1

DE102022115273A1 - Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Systems, LiDAR-System und Fahrzeug aufweisend wenigstens ein LiDAR-System

Info

Publication number: DE102022115273A1
Application number: DE102022115273.1A
Authority: DE
Inventors: Hansjoerg Schmidt; Johannes Michael
Original assignee: Valeo Detection Systems GmbH
Current assignee: Valeo Detection Systems GmbH
Priority date: 2022-06-20
Filing date: 2022-06-20
Publication date: 2023-12-21
Also published as: WO2023247474A1

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Systems, ein LiDAR-System und ein Fahrzeug beschrieben. Bei dem Verfahren wird wenigstens ein elektromagnetischer Abtaststrahl mit wenigstens einer Sendeeinrichtung des LiDAR-Systems in wenigstens einen Überwachungsbereich gesendet, wenigstens ein aus dem Überwachungsbereich kommender elektromagnetischer Empfangsstrahl, welcher von dem wenigstens einen an wenigstens einem Objektziel (19, 19R) reflektierten elektromagnetischen Abtaststrahl herrührt, mit wenigstens einem von mehreren Empfangsbereichen einer Empfangsmatrix einer Empfangseinrichtung des LiDAR-Systems empfangen, wenigstens ein Teil des empfangenen Empfangsstrahls in Empfangsgrößen umgewandelt, wobei die Empfangsgrößen den Empfangsbereichen, die von dem Empfangsstrahl getroffen werden, jeweils zugeordnet werden. Für wenigstens einen Teil der mit dem Empfangsstrahl getroffenen Empfangsbereiche wird aus wenigstens einem Teil der jeweiligen Empfangsgrößen jeweils wenigstens eine Entfernungsgröße (D) ermittelt, welche eine Entfernung des wenigstens einen Objektziels (19, 19R) zu dem entsprechenden Empfangsbereich, auf den der Empfangsstrahl trifft, charakterisiert. Falls wenigstens ein Empfangsbereich mit dem Empfangsstrahl übersättigt wird, zu dem wenigstens einen übersättigten Empfangsbereich eine Ersatz-Entfernungsgröße (D*) eingesetzt wird, wobei die Ersatz-Entfernungsgröße (D*) auf Basis wenigstens einer Größe (D) ermittelt wird, die zu wenigstens einem zu dem übersättigten wenigstens einen Empfangsbereich nächstliegenden nicht übersättigten Empfangsbereich ermittelt wurde.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Systems, insbesondere eines LiDAR-Systems eines Fahrzeugs, bei dem
wenigstens ein elektromagnetischer Abtaststrahl mit wenigstens einer Sendeeinrichtung des LiDAR-Systems in wenigstens einen Überwachungsbereich gesendet wird,
wenigstens ein aus dem wenigstens einen Überwachungsbereich kommender elektromagnetischer Empfangsstrahl, welcher von dem wenigstens einen an wenigstens einem Objektziel reflektierten elektromagnetischen Abtaststrahl herrührt, mit wenigstens einem von mehreren Empfangsbereichen einer Empfangsmatrix einer Empfangseinrichtung des LiDAR-Systems empfangen wird,
wenigstens ein Teil des wenigstens einen empfangenen elektromagnetischen Empfangsstrahls in Empfangsgrößen umgewandelt wird, wobei die Empfangsgrößen den Empfangsbereichen, die von dem wenigstens einen elektromagnetischen Empfangsstrahl getroffen werden, jeweils zugeordnet werden.
Ferner betrifft die Erfindung ein LiDAR-System, insbesondere ein LiDAR-System eines Fahrzeugs,
mit wenigstens einer Sendeeinrichtung, mit welcher elektromagnetische Abtaststrahlen in wenigstens einen Überwachungsbereich gesendet werden können,
mit wenigstens einer Empfangseinrichtung, welche wenigstens eine Empfangsmatrix mit mehreren Empfangsbereichen aufweist, mit denen aus dem wenigstens einen Überwachungsbereich kommende elektromagnetische Empfangsstrahlen, welche von an wenigstens einem Objektziel reflektierten elektromagnetische Abtaststrahlen herrühren, empfangen werden können, und welche Mittel zum Umwandeln von elektromagnetischen Empfangsstrahlen in Empfangsgrößen aufweist, die den mit den entsprechenden elektromagnetischen Empfangsstrahlen getroffenen Empfangsbereichen zuordenbar sind.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug aufweisend wenigstens ein LiDAR-System, mit wenigstens einer Sendeeinrichtung, mit welcher elektromagnetische Abtaststrahlen in wenigstens einen Überwachungsbereich gesendet werden können,
mit wenigstens einer Empfangseinrichtung, welche wenigstens eine Empfangsmatrix mit mehreren Empfangsbereichen aufweist, mit denen aus dem wenigstens einen Überwachungsbereich kommende elektromagnetische Empfangsstrahlen, welche von wenigstens einem Objektziel reflektierten elektromagnetische Abtaststrahlen herrühren, empfangen werden können, und welche Mittel zum Umwandeln von elektromagnetischen Empfangsstrahlen in Empfangsgrößen aufweist, die den mit den entsprechenden elektromagnetischen Empfangsstrahlen getroffenen Empfangsbereichen zuordenbar sind.
Stand der Technik
Aus der US 2020/0072946 A1 ist ein Flash-LIDAR-System oder -Schaltkreis bekannt, der so konfiguriert ist, dass er den Hintergrund kompensiert. Das System umfasst eine Steuerschaltung, eine Zeitschaltung, eine Sendearray mit einer Vielzahl von Sendern und eine Detektorarray mit einer Vielzahl von Detektoren (z. B. eine Anordnung von Einzelphotonendetektoren). Der Steuerschaltkreis implementiert einen Pixelprozessor, der die Flugzeit des Beleuchtungspulses auf dem Weg von dem Sender Array zum Ziel und zurück zum Detektorarray misst, wobei direkte oder indirekte ToF-Messverfahren verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, ein LiDAR-System und ein Fahrzeug der eingangs genannten Art zu gestalten, bei denen die Ermittlung von Entfernungsgrößen weiter verbessert werden kann, insbesondere Fehler bei der Ermittlung von Entfernungsgrößen aufgrund von Übersättigung von Empfangsbereichen korrigiert werden können.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass für wenigstens einen Teil der mit dem wenigstens einen elektromagnetischen Empfangsstrahl getroffenen Empfangsbereiche aus wenigstens einem Teil der jeweiligen Empfangsgrößen jeweils wenigstens eine Entfernungsgröße ermittelt wird, welche eine Entfernung des wenigstens einen Objektziels zu dem entsprechenden Empfangsbereich, auf den der wenigstens eine elektromagnetische Empfangsstrahl trifft, charakterisiert,
falls wenigstens ein Empfangsbereich mit dem wenigstens einen elektromagnetischen Empfangsstrahl übersättigt wird, zu dem wenigstens einen übersättigten Empfangsbereich eine Ersatz-Entfernungsgröße eingesetzt wird, wobei die Ersatz-Entfernungsgröße auf Basis wenigstens einer Größe ermittelt wird, die zu wenigstens einem zu dem übersättigten wenigstens einen Empfangsbereich nächstliegenden nicht übersättigten Empfangsbereich ermittelt wurde.
Erfindungsgemäß wird bei Vorliegen einer Übersättigung eines Empfangsbereichs die Messung dieses Empfangsbereichs korrigiert durch die Messung wenigstens eines nächstliegenden, insbesondere benachbarten, Empfangsbereichs, welcher nicht übersättigt wird. Auf diese Weise kann auch bei einer Übersättigung eines der Empfangsbereiche eine Entfernungsgröße für ein Objektziel ermittelt werden, von dem der wenigstens eine Empfangsstrahl kommt, der zur Übersättigung des entsprechenden Empfangsbereichs führt.
Bei LiDAR-Systemen kann es bei entsprechend langen Integrationszeiten zu Übersättigungen von Empfangsbereichen aufgrund von starken elektromagnetischen Empfangsstrahlen kommen, welche von Abtaststrahlen herrühren, die an hochreflektierenden Objektzielen, insbesondere retroreflektiven Objektzielen, reflektiert werden. Aus den Empfangsgrößen der übersättigten Empfangsbereiche kann keine gültige Entfernungsgröße ermittelt werden. Eine Übersättigung kann insbesondere dann vorliegen, wenn die Empfangsgröße einen vorgebbaren Sättigungsgrenzwert überschreitet.
Die Übersättigung von Empfangsbereichen führt auch zu einer Verzerrung der Empfangsgrößen bei nicht übersättigten Empfangsbereichen in der Umgebung der übersättigten Empfangsbereiche. Es hat sich gezeigt, dass mit den Entfernungsgrößen der nicht übersättigten Empfangsbereiche in der Umgebung der übersättigten Empfangsbereiche die Entfernung zwischen dem hochreflektierenden Objektziel und den von dem wenigstens einen Empfangsstrahl getroffenen, übersättigten Empfangsbereichen charakterisiert werden kann.
Die Empfangsbereiche in der Umgebung von übersättigten Empfangsbereichen erfahren einen Blooming-Effekt, der von übersättigten Empfangsbereichen ausgeht. Der Blooming-Effekt in der Umgebung von übersättigten Empfangsbereichen wird erfindungsgemäß zur Ermittlung der Entfernungsgröße für Entfernung des hochreflektierenden Objektziels verwendet, welches die Übersättigung verursacht. Auf diese Weise können auch bei Integrationszeiten, die lang genug sind, um mit dem LiDAR-System schwach reflektierende Objektziele in dem wenigstens einen Überwachungsbereich zu erfassen, die Entfernungsgrößen auch für hochreflektierende Objektziele ermittelt werden.
Die Ersatz-Entfernungsgröße wird auf Basis wenigstens einer Größe ermittelt, die für einen zu dem übersättigten wenigstens einen Empfangsbereich nächstliegenden nicht übersättigten Empfangsbereich ermittelt wurde. Vorteilhafterweise kann der wenigstens eine nächstliegende nicht übersättigte Empfangsbereich in direkter Nachbarschaft zu dem wenigstens einen übersättigten Empfangsbereichs liegen. Falls in der direkten Nachbarschaft des wenigstens einen übersättigten Empfangsbereichs kein nicht übersättigter Empfangsbereichs liegt, wird die Ersatz-Entfernungsgröße auf Basis wenigstens einer Größe ermittelt, die zu wenigstens einem nächstliegenden nicht übersättigten Empfangsbereich ermittelt wurde. Nächstliegend im Sinne der Erfindung ist ein nicht übersättigte Empfangsbereich, wenn auf einer geraden Linie zwischen diesem nicht übersättigten Empfangsbereich und dem betreffenden übersättigten Empfangsbereich kein weiterer nicht übersättigte Empfangsbereich liegt.
Vorteilhafterweise kann über die Position der mit dem wenigstens einen elektromagnetischen Empfangsstrahl getroffenen Empfangsbereiche innerhalb der Empfangsmatrix eine Richtung des wenigstens einen reflektierenden Objektziels relativ zur Empfangsmatrix ermittelt werden. Mit der Empfangsmatrix ist so eine ortsaufgelöste LiDAR-Messung möglich.
Vorteilhafterweise kann die Empfangsmatrix eine eindimensionale Empfangsmatrix sein. Auf diese Weise kann eine Ortsauflösung in zwei Dimensionen, insbesondere in horizontaler oder vertikaler Richtung und in Entfernungsrichtung, realisiert werden. Alternativ kann vorteilhafterweise die Empfangsmatrix eine zweidimensionale Empfangsmatrix sein. Auf diese Weise kann die Position des wenigstens einen Objektziels in drei Dimensionen, insbesondere in horizontaler Richtung, in vertikaler Richtung und in Entfernungsrichtung, ermittelt werden.
Der wenigstens eine elektromagnetische Abtaststrahl kann ein elektromagnetisches Abtastsignal aufweisen oder daraus bestehen. Auf diese Weise können mit dem wenigstens einen Abtaststrahl zusätzliche Informationen übermittelt werden. Vorteilhafterweise können das wenigstens eine Abtastsignal codiert sein. So kann die Zuordnung des wenigstens einen Abtaststrahls auf der Empfängerseite vereinfacht werden.
Eine Entfernungsgröße im Sinne der Erfindung ist eine Größe, welche eine Entfernung eines erfassten Objektziels zu einer Referenzstelle, insbesondere einem Empfangsbereich des LiDAR-Systems, charakterisiert. Bei einem indirekten Flugzeitmethode kann eine Entfernungsgröße eine Verschiebung, insbesondere eine Phasenverschiebung, zwischen einem gesendeten Abtaststrahl in Form eines amplitudenmodulierten Abtaststrahls und dem entsprechenden elektromagnetischen Empfangsstrahl sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Entfernungsgröße der Betrag einer geometrischen Länge sein.
Ein Objektziel im Sinne der Erfindung ist eine Stelle eines Objekts, an dem elektromagnetische Abtaststrahlen, welche von dem LiDAR-System in den wenigstens einen Überwachungsbereich gesendet werden, reflektiert werden können. Jedes Objekt kann mehrere Objektziele aufweisen.
Vorteilhafterweise können mit der wenigstens einen Sendeeinrichtung elektromagnetische Abtaststrahlen in Form von Laserstrahlen, insbesondere Lasersignalen, gesendet werden. Laserstrahlen können präzise definiert und mit großer Reichweite, insbesondere mehreren 100 m, ausgesendet werden.
Vorteilhafterweise kann das LiDAR-System ein Flash-LiDAR-System sein. Bei einem Flash-LiDAR-System strahlt jeder gesendete elektromagnetische Abtaststrahl - ähnlich einem Blitz - große Teile des wenigstens einen Überwachungsbereichs, insbesondere den gesamten Überwachungsbereich, aus.
Vorteilhafterweise kann das LiDAR-System als laserbasiertes Entfernungsmesssystem ausgestaltet sein. Ein laserbasiertes Entfernungsmesssystem kann als Lichtquelle einer Sendeeinrichtung wenigstens einen Laser, insbesondere einen Diodenlaser, aufweisen. Mit dem wenigstens einen Laser können insbesondere gepulste Abtaststrahlen gesendet werden. Mit dem Laser können Abtaststrahlen in für das menschliche Auge sichtbaren oder nicht sichtbaren Wellenlängenbereichen emittiert werden. Entsprechend kann die Empfangsmatrix der Empfangseinrichtung mit wenigstens einem für die Wellenlänge des ausgesendeten Abtaststrahls ausgelegten Sensor, insbesondere einem CCD-Sensor, einem Active-Pixel-Sensor, insbesondere einen CMOS-Sensor oder dergleichen, realisiert werden. Derartige Sensoren weisen eine Mehrzahl von Empfangsbereichen, insbesondere Pixel oder Pixelgruppen, auf. Derartige Sensoren können so betrieben werden, dass die ermittelten Empfangsgrößen den jeweiligen Empfangsbereichen zugeordnet werden können
Vorteilhafterweise können das Verfahren und das LiDAR-System bei Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, verwendet werden. Vorteilhafterweise können das Verfahren und das LiDAR-System bei Landfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Bussen, Motorrädern oder dergleichen, Luftfahrzeugen, insbesondere Drohnen, und/oder Wasserfahrzeugen verwendet werden. Das Verfahren und das LiDAR-System können auch bei Fahrzeugen eingesetzt werden, die autonom oder wenigstens teilautonom betrieben werden können. Das Verfahren und das LiDAR-Systems sind jedoch nicht beschränkt auf Fahrzeuge. Sie können auch im stationären Betrieb, in der Robotik und/oder bei Maschinen, insbesondere Bau- oder Transportmaschinen, wie Kränen, Baggern oder dergleichen, eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise kann das LiDAR-System eine Prozessoreinrichtung, insbesondere eine elektronische Steuer- und Auswerteeinrichtung, aufweisen, mit der das LiDAR-System gesteuert und Empfangsgrößen ermittelt und/oder verarbeitet werden können.
Das LiDAR-System kann vorteilhafterweise mit wenigstens einer elektronischen Steuervorrichtung eines Fahrzeugs oder einer Maschine, insbesondere einem Fahrerassistenzsystem oder dergleichen, verbunden oder Teil einer solchen sein. Auf diese Weise kann wenigstens ein Teil der Funktionen des Fahrzeugs oder der Maschine autonom oder teilautonom betrieben werden.
Das LiDAR-System kann zur Erfassung von stehenden oder bewegten Objekten, insbesondere Fahrzeugen, Personen, Tieren, Pflanzen, Hindernissen, Fahrbahnunebenheiten, insbesondere Schlaglöchern oder Steinen, Fahrbahnbegrenzungen, Verkehrszeichen, Freiräumen, insbesondere Parklücken, Niederschlag oder dergleichen, und/oder von Bewegungen und/oder Gesten eingesetzt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die Ersatz-Entfernungsgröße zu dem wenigstens einen übersättigten Empfangsbereich auf Basis wenigstens einer Empfangsgröße und/oder wenigstens einer Entfernungsgröße ermittelt werden, die zu wenigstens einem nächstliegenden nicht übersättigten Empfangsbereich ermittelt wurde, insbesondere kann eine Entfernungsgröße als Ersatz-Entfernungsgröße verwendet werden, die zu einem nächstliegenden nicht übersättigten Empfangsbereich ermittelt wurde
und/oder
zu wenigstens einem übersättigten Empfangsbereich eine individuelle Ersatz-Entfernungsgröße eingesetzt werden, insbesondere zu jedem übersättigten Empfangsbereich jeweils eine individuelle Ersatz-Entfernungsgröße eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise kann die Ersatz-Entfernungsgröße zu dem wenigstens einen übersättigten Empfangsbereich auf Basis wenigstens einer Empfangsgröße und/oder wenigstens einer Entfernungsgröße ermittelt werden. Auf diese Weise kann aus Größen, insbesondere Empfangsgrößen und/oder Entfernungsgrößen, die für nicht übersättigte Empfangsbereiche bereits gewonnenen wurden, effizient die Ersatz-Entfernungsgröße bestimmt werden.
Vorteilhafterweise kann die Ersatz-Entfernungsgröße auf Basis von Empfangsgrößen ermittelt werden. Vorteilhafterweise kann die Ersatz-Entfernungsgröße direkt aus wenigstens einer Entfernungsgröße ermittelt werden. Auf diese Weise kann der Aufwand zur Ermittlung der Ersatz Empfangsgröße verringert werden.
Zu wenigstens einem übersättigten Empfangsbereich kann eine individuelle Ersatz-Entfernungsgröße eingesetzt werden. Dabei kann wenigstens für einen Teil der übersättigten Empfangsbereiche die Ersatz-Entfernungsgröße jeweils individuell mithilfe der jeweils nächstliegenden nicht übersättigten Empfangsbereiche ermittelt werden. Auf diese Weise kann auch innerhalb von Gruppen von übersättigten Empfangsbereichen ein Entfernungsprofil realisiert werden, welches dem Entfernungsprofil der für die übersättigten Empfangsbereiche verantwortlichen Objektziele charakterisiert. Vorteilhafterweise kann für jeden übersättigten Empfangsbereich jeweils eine individuelle Ersatz-Entfernungsgröße eingesetzt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können zur Ermittlung der Ersatz-Entfernungsgröße zu dem wenigstens einen übersättigten Empfangsbereich die Entfernungsgrößen und/oder die Empfangsgrößen kombiniert, insbesondere gemittelt, werden, welche zu mehreren nächstliegenden nicht übersättigten Empfangsbereichen ermittelt wurden. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Bestimmung der Ersatz-Entfernungsgröße weiter verbessert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann
mit der wenigstens einen Sendeeinrichtung wenigstens ein amplitudenmodulierter Abtaststrahl gesendet werden,
der von dem wenigstens einen reflektierten Abtaststrahl stammende wenigstens eine auf wenigstens einen Empfangsbereich treffende elektromagnetische Empfangsstrahl jeweils während wenigstens zwei Aufnahmezeitbereiche in jeweilige Empfangsgrößen, insbesondere Phasengrößen, umgewandelt werden, wobei wenigstens zwei der Aufnahmezeitbereiche bezogen auf eine Modulationsperiode des wenigstens einen gesendeten Abtaststrahls phasenverschoben gestartet werden. Auf diese Weise kann das LiDAR-System nach einem indirekten Flugzeitmethode, die auch als indirekten Time-Of-Flight-Methode bezeichnet wird, betrieben werden. Die Entfernungsgrößen können aus Phasenverschiebungen zwischen dem gesendeten amplitudenmodulierten Abtaststrahl und dem empfangenen reflektierten Abtaststrahl ermittelt werden. Dabei können zu jedem Empfangsbereich, welcher mit einem Empfangsstrahl getroffen wird, separat jeweils wenigstens für die zwei Aufnahmezeitbereiche die entsprechenden Empfangsgrößen ermittelt werden. Auf diese Weise kann für jeden Empfangsbereich separat aus den Empfangsgrößen eine entsprechende Entfernungsgröße ermittelt werden.
Vorteilhafterweise kann der Empfangsstrahl jeweilige Empfangsgrößen in Form von Phasengrößen umgewandelt werden. Eine Phasengrößen kann eine Amplitude eines Phasenbildes des Empfangsstrahls charakterisieren, welches während eines Aufnahmezeitbereichs aufgenommen wird
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann ein Empfangsbereich als übersättigt erkannt werden, wenn dieser während wenigstens einem der wenigstens zwei Aufnahmezeitbereiche übersättigt wird und/oder ein Empfangsbereich als nicht übersättigt erkannt werden, wenn dieser während allen der wenigstens zwei Aufnahmezeitbereiche nicht übersättigt wird. Auf diese Weise kann eine Übersättigung zuverlässiger erkannt werden. So kann insgesamt die Genauigkeit der Entfernungsmessung weiter verbessert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die Empfangsgrößen und/oder die Entfernungsgrößen nach einer Flugzeitmethode, insbesondere einer indirekten Flugzeitmethode, ermittelt werden. Auf diese Weise kann die Entfernungsgröße und damit die Entfernung eines erfassten Objektziels präzise ermittelt werden.
Vorteilhafterweise kann das LiDAR-System nach einer indirekten Flugzeitmethode ermittelt werden. Auf diese Weise kann die Genauigkeit bei der Entfernungsmessung weiter verbessert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann wenigstens ein Teil des wenigstens einen Überwachungsbereichs mit wenigstens einem elektromagnetischen Flash-Abtaststrahl angestrahlt werden. Auf diese Weise kann wenigstens ein Teil des wenigstens einen Überwachungsbereich mit demselben Flash-Abtaststrahl simultan angestrahlt werden. So kann eine Momentaufnahme des wenigstens einen simultan angestrahlten Teils des Überwachungsbereichs realisiert werden.
Ein Flash-Abtaststrahl breitet sich ähnlich einem Blitzlicht in unterschiedliche Raumrichtungen aus.
Vorteilhafterweise kann der wenigstens eine Überwachungsbereich mit wenigstens einem elektromagnetischen Abtaststrahl in einer räumlichen Dimension, insbesondere in horizontaler Richtung, abgetastet werden. Auf diese Weise kann ein zweidimensionales Entfernungsbild, insbesondere mit einer Dimension in horizontaler Richtung und einer Dimension in Entfernungsrichtung, realisiert werden.
Alternativ kann vorteilhafterweise der wenigstens eine Überwachungsbereich mit wenigstens einem elektromagnetischen Abtaststrahl in zwei räumlichen Dimensionen, insbesondere in horizontaler und in vertikaler Richtung, abgetastet werden. Auf diese Weise kann ein dreidimensionales Entfernungsbild, insbesondere mit einer Dimension in horizontaler Richtung, einer Dimension in vertikaler Richtung und einer Dimension in Entfernungsrichtung, realisiert werden.
Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß bei dem LiDAR-System dadurch gelöst, dass das LiDAR-System Mittel aufweist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Erfindungsgemäß kann das LiDAR-System Mittel aufweisen, mit denen für mit elektromagnetischen Empfangsstrahlen getroffene Empfangsbereiche aus jeweiligen Empfangsgrößen Entfernungsgrößen ermittelt werden können, welche Entfernungen von Objektzielen zu den Empfangsbereichen, auf die von den Objektzielen reflektierte elektromagnetische Empfangsstrahlen treffen, charakterisieren, und, falls wenigstens ein Empfangsbereich mit elektromagnetischen Empfangsstrahlen übersättigt wird, für den wenigstens einen übersättigten Empfangsbereich eine Ersatz-Entfernungsgröße eingesetzt werden kann, wobei die Ersatz-Entfernungsgröße auf Basis wenigstens einer Größe ermittelt werden kann, die für einen zu dem übersättigten Empfangsbereich nächstliegenden nicht übersättigten Empfangsbereich ermittelt wurde.
Vorteilhafterweise können Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf softwaremäßigem und/oder hardwaremäßigem Wege realisiert werden. Auf diese Weise können die Mittel effizient realisiert werden.
Vorteilhafterweise kann wenigstens ein Teil der Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit wenigstens einem Prozessor des LiDAR-Systems, insbesondere einer Steuer- und Auswerteeinrichtung, realisiert werden. Auf diese Weise können ohnehin vorhandene Bauteile verwendet werden.
Vorteilhafterweise können die Empfangsstrahlen mit Empfangsbereichen einer eindimensionalen Empfangsmatrix empfangen werden. Vorteilhafterweise kann die Empfangseinrichtung des LiDAR-Systems wenigstens eine eindimensionale Empfangsmatrix, insbesondere eine Zeilenmatrix, aufweisen. Auf diese Weise kann der wenigstens eine Überwachungsbereich in zwei Dimensionen nämlich der einen Dimension der Empfangsmatrix und einer Entfernungsdimension, ortsaufgelöst erfasst werden.
Alternativ können die Empfangsstrahlen mit Empfangsbereichen einer zweidimensionalen Empfangsmatrix empfangen werden. Vorteilhafterweise kann die Empfangseinrichtung des LiDAR-Systems wenigstens eine zweidimensionale Empfangsmatrix, insbesondere eine Flächenmatrix, aufweisen. So kann der wenigstens eine Überwachungsbereich in drei Dimensionen, nämlich den zwei Dimensionen der Empfangsmatrix und einer Entfernungsdimension, ortsaufgelöst erfasst werden.
Mit Hilfe einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Empfangsmatrix können Richtungen von erfassten Objektzielen relativ zu dem LiDAR-System ermittelt werden. Dabei kann aus den Positionen der mit Empfangsstrahlen getroffenen Empfangsbereiche innerhalb der Empfangsmatrix die Richtung der entsprechenden Objektziele ermittelt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann wenigstens eine Empfangsmatrix mit wenigstens einem CCD-Chip realisiert sein und/oder wenigstens eine Empfangsmatrix mit einem 3D-ToF-Imager realisiert sein. Auf diese Weise können die elektromagnetischen Empfangsstrahlen mit den entsprechenden Empfangsbereichen, welche bei CCD-Chips und 3D-ToF-Imagern als Pixel bezeichnet werden können, empfangen und in elektrische Empfangssignale umgewandelt werden. Aus den elektrischen Empfangssignalen können die entsprechenden Empfangsgrößen ermittelt werden.
3D-ToF-Imager (3D- Time-of-Flight - Imager) sind bekanntermaßen dreidimensionale Flugzeit-Bildgeber. Mit 3D-ToF-Imagern können dreidimensionale Entfernungsbilder von Überwachungsbereichen aufgenommen werden.
Außerdem wird die Aufgabe erfindungsgemäß bei dem Fahrzeug dadurch gelöst, dass das Fahrzeug Mittel aufweist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Vorteilhafterweise können die Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem wenigstens einen LiDAR-System, insbesondere einem erfindungsgemäßen LiDAR-System, realisiert sein. Auf diese Weise kann das wenigstens eine LiDAR-System bereits vor dem Einbau am Fahrzeug konfiguriert werden. Das wenigstens eine LiDAR-System ist nach dem Einbau Teil des Fahrzeugs, sodass auch die Mittel des wenigstens einen LiDAR-Systems Mittel des wenigstens einen Fahrzeugs sind.
Mit dem wenigstens einen LiDAR-System kann wenigstens ein Überwachungsbereich in der Umgebung des Fahrzeugs und/oder im Innenraum des Fahrzeugs auf Objektziele hin überwacht werden. Mit dem wenigstens einen LiDAR-System können Entfernungen zu erfassten Objektzielen ermittelt werden.
Vorteilhafterweise kann das Fahrzeug wenigstens ein Fahrassistenzsystem aufweisen. Mit dem Fahrerassistenzsystem kann das Fahrzeug autonom oder wenigstens teilweise autonom betrieben werden.
Vorteilhafterweise kann wenigstens ein LiDAR-System mit wenigstens einem Fahrerassistenzsystem des Fahrzeugs funktional verbunden sein. Auf diese Weise können Informationen über den wenigstens einen Überwachungsbereich, insbesondere Entfernungsgrößen und/oder Richtungsgrößen zu erfassten Objektzielen, welche mit dem wenigstens einen LiDAR-System ermittelt werden können, an das wenigstens eine Fahrerassistenzsystem übermittelt werden. Mit dem wenigstens einen Fahrerassistenzsystem kann das Fahrzeug unter Berücksichtigung der Informationen über den wenigstens einen Überwachungsbereich autonom oder wenigstens teilweise autonom betrieben werden.
Im Übrigen gelten die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen LiDAR-System und dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und deren jeweiligen vorteilhaften Ausgestaltungen aufgezeigten Merkmale und Vorteile untereinander entsprechend und umgekehrt. Die einzelnen Merkmale und Vorteile können selbstverständlich untereinander kombiniert werden, wobei sich weitere vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Der Fachmann wird die in der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprüchen in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen schematisch

1 eine Vorderansicht eines Fahrzeugs mit einem Fahrerassistenzsystem und einem LiDAR-System zur Erfassung von Objekten;
2 eine Funktionsdarstellung eines Teils des Fahrzeugs mit dem Fahrerassistenzsystem und dem LiDAR-System aus der 1;
3 eine Vorderansicht einer Empfangsmatrix einer Empfangseinrichtung des LiDAR-Systems aus den 1 und 2, wobei die Empfangsmatrix eine Vielzahl von Empfangsbereichen aufweist;
4 ein Signalstärke-Zeit-Diagramm mit vier beispielhaften Phasenbildern DCS₀ bis DCS₃, welche mit jeweiligen Phasenverschiebungen von 90° aus einem Empfangslichtsignal eines reflektierten Sendelichtsignals des LiDAR-Systems aus den 1 und 2 ermittelt werden und deren Amplituden als Phasengrößen zur Ermittlung von Entfernungen von Objekten dienen;
5 ein Entfernungsbild einer Szene mit mehreren Objekten in Graustufendarstellung, wobei eines der Objekte ein retroreflektives Straßenschild ist, mit einer Integrationsdauer von 210 µs;
6 ein Intensitätsprofil durch eine Zeile des Entfernungsbildes aus der 5;
7 ein Entfernungsbild der Szene aus der 5 mit einer Integrationsdauer von 1 µs;
8 einen Intensitätsprofil durch eine Zeile des Entfernungsbildes aus der 7.

In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In der 1 ist ein Fahrzeug 10 beispielhaft in Form eines Personenkraftwagens in der Vorderansicht gezeigt. 2 zeigt eine Funktionsdarstellung eines Teils des Fahrzeugs 10.
Das Fahrzeug 10 verfügt über ein LiDAR-System 12, das als Flash-LiDAR-System ausgestaltet ist. Das LiDAR-System 12 ist beispielhaft in der vorderen Stoßstange des Fahrzeugs 10 angeordnet. Mit dem LiDAR-System 12 kann ein Überwachungsbereich 14 in Fahrtrichtung 16 vor dem Fahrzeug 10 auf Objekte 18 hin überwacht werden. Das LiDAR-System 12 kann auch an anderer Stelle am Fahrzeug 10 angeordnet und anders ausgerichtet sein. Mit dem LiDAR-System 12 können Objektinformationen, beispielsweise Entfernungsgrößen D, Richtungsgrößen und Geschwindigkeitsgrößen ermittelt werden, welche Entfernungen, Richtungen und Geschwindigkeiten von Objekten 18 relativ zum Fahrzeug 10, respektive zum LiDAR-System 12 charakterisieren.
Bei den Objekten 18 kann es sich um stehende oder bewegte Objekte, beispielsweise um andere Fahrzeuge, Personen, Tiere, Pflanzen, Hindernisse, Fahrbahnunebenheiten, beispielsweise Schlaglöcher oder Steine, Fahrbahnbegrenzungen, Verkehrszeichen, Freiräume, beispielsweise Parklücken, Niederschlag oder dergleichen handeln.
Jedes Objekt 18 weist in der Regel mehrere Objektziele 19 auf. Ein Objektziel 19 ist eine Stelle eines Objekts 18, an dem elektromagnetische Abtaststrahlen in Form von Sendelichtsignalen 20, welche von dem LiDAR-System 12 in den Überwachungsbereich 14 gesendet werden, reflektiert werden können.
In der 2 ist beispielhaft ein Objekt 18 in Form eines Straßenschildes mit einem Tankstellensymbol angedeutet. Der Bereich des Straßenschildes mit dem Tankstellensymbol weist eine normale Reflektivität bezüglich der Sendelichtsignale 20 auf. Die dortigen Objektziele sind mit 19 bezeichnet. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist lediglich eines der Objektziele 19 mit einem Kreuz angedeutet. Der das Tankstellensymbol umgebende Bereich des Straßenschildes ist retroreflektiv beschichtet. Die dortigen Objektziele sind der besseren Unterscheidbarkeit wegen mit 19_R bezeichnet. Auch hier ist lediglich eines der Objektziele 19_R mit einem Kreuz angedeutet.
Das LiDAR-System 12 ist mit einem Fahrerassistenzsystem 22 verbunden. Mit dem Fahrerassistenzsystem 22 kann das Fahrzeug 10 autonom oder teilautonom betrieben werden.
Das LiDAR-System 12 umfasst beispielhaft eine Sendeeinrichtung 24, eine Empfangseinrichtung 26 und eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 28.
Bei der Steuer- und Auswerteeinrichtung 28 handelt es sich beispielhaft um eine elektronische Steuer- und Auswerteeinrichtung, beispielsweise mit einem oder mehreren Prozessoren. Die Funktionen der Steuer- und Auswerteeinrichtung 28 können zentral oder dezentral auf softwaremäßigem und/oder hardwaremäßigem Wege realisiert sein. Teile der Funktionen der Steuer- und Auswerteeinrichtung 28 können auch in der Sendeeinrichtung 24 und/oder der Empfangseinrichtung 26 integriert sein.
Mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 28 können Sendegrößen in Form von elektrischen Sendesignalen erzeugt werden. Die Sendeeinrichtung 24 kann mit den elektrischen Sendesignalen angesteuert werden, sodass diese amplitudenmodulierte Sendelichtsignale 20 in Form von Laserpulsen in den Überwachungsbereich 14 sendet.
Die Sendeeinrichtung 24 weist als Lichtquelle beispielhaft einen Laser auf. Mit dem Laser können Sendelichtsignale 20 in Form von Laserpulsen erzeugt werden. Darüber hinaus weist die Sendeeinrichtung 24 eine optische Einrichtung auf, mit welcher die Sendelichtsignale 20 so aufgeweitet werden, dass sie sich - ähnlich einem Blitzlicht - in den gesamten Überwachungsbereich 14 ausbreiten können. Auf diese Weise kann mit jedem Sendelichtsignal 20 der gesamte Überwachungsbereich 14 angeleuchtet werden. Die Sendelichtsignale 20 können daher auch als „Flash-Abtaststrahlen“ bezeichnet werden.
An einem Objekt 18 in Richtung der Empfangseinrichtung 26 reflektierte Sendelichtsignale 20, welche der besseren Unterscheidung wegen als Empfangslichtsignale 30 bezeichnet werden, können mit der Empfangseinrichtung 26 empfangen werden.
Die Empfangseinrichtung 26 kann optional eine Empfangslichtsignal-Umlenkeinrichtung aufweisen, mit der die Empfangslichtsignale 30 zu einer in der 3 gezeigten Empfangsmatrix 32 der Empfangseinrichtung 26 gelenkt werden.
Die Empfangsmatrix 32 ist beispielsweise mit einem Flächensensor in Form eines CCD-Sensors mit einer Vielzahl von Empfangsbereichen 34 realisiert. Jeder Empfangsbereich 34 kann beispielsweise durch eine Gruppe von Pixeln realisiert werden. Die hier beschriebene Empfangsmatrix 32 weist beispielhaft 320 Spalten mit je 240 Empfangsbereichen 34 auf. In der 3 sind der besseren Übersichtlichkeit wegen beispielhaft lediglich 7 x 7 der Empfangsbereiche 34 angedeutet.
Anstatt eines CCD-Sensors kann auch ein andersartiger Flächensensor, beispielsweise ein Active-Pixel Sensor oder dergleichen, verwendet werden.
Mit hier nicht weiter interessierenden Mitteln des CCD-Sensors können die jeweils auf die Empfangsbereiche 34 der Empfangsmatrix 32 treffenden Anteile von Empfangslichtsignalen 30 in entsprechende, in der 4 bezeichnete Phasengrößen A₀, A₁, A₂ und A₃, welche im Folgenden der Einfachheit halber auch als Phasengrößen A_i bezeichnet werden können, umgewandelt werden. Beispielhaft sind die Phasengrößen A₀, A₁, A₂ und A₃ die Amplituden von Phasenbildern (Differtial Correlation Samples) DCS₀, DCS₁, DCS₂ und DCS₃, welche im Folgenden der Einfachheit halber auch als Phasenbilder DCS_i bezeichnet werden können. Die Phasengrößen A_i und die Phasenbilder DCS_i können den jeweiligen Empfangsbereichen 34 zugeordnet werden.
Jeder Empfangsbereich 34 ist über geeignete Verschlussmittel für die Erfassung von Empfangslichtsignalen 30 für definierte Aufnahmezeitbereiche TB₀, TB₁, TB₂ und TB₃,, welche im Folgenden der Einfachheit halber auch als Aufnahmezeitbereiche TB_i bezeichnet werden können, aktivierbar.
Beispielhaft sind die Empfangsbereich 34 jeweils in vier Aufnahmezeitbereichen TB₀, TB₁, TB₂ und TB₃ zur Erfassung von Empfangssignalen 30 aktivierbar.
Jeder Aufnahmezeitbereich TB_i ist durch einen Startzeitpunkt und eine Integrationsdauer definiert. Die zeitlichen Abstände zwischen jeweils zwei definierten Aufnahmezeitbereichen TB_i sind kleiner als die Periodendauer t_MOD der Modulationsperiode MP.
Während eines Aufnahmezeitbereichs TB_i können auf den jeweiligen Empfangsbereich 34 treffende Anteile von Empfangslichtsignalen 30 in entsprechende elektrische Empfangssignale umgewandelt werden. Aus den Empfangssignalen können die jeweiligen Phasenbilder DCS_i und deren Amplituden A_i ermittelt werden, welche jeweilige Signalausschnitte des Empfangslichtsignals 30 in den jeweiligen Aufnahmezeitbereichen TB_i charakterisieren. Die Phasenbilder DCS_i und deren Amplituden, also die Phasengrößen A_i, charakterisieren die jeweilige Lichtmenge, die während den Aufnahmezeitbereichen TB_i mit den entsprechend aktivierten Empfangsbereich 34 der Empfangsmatrix 32 gesammelt wird.
Beispielhaft kann jeder Empfangsbereich 34 individuell aktiviert und ausgelesen werden. Die Verschlussmittel können auf softwaremäßigem und/oder hardwaremäßigem Wege realisiert sein. Derartige Verschlussmittel können als sogenannte „Shutter“ realisiert werden. Beispielhaft können die Empfangsbereiche 34 mit entsprechenden periodischen Aufnahme-Steuersignalen in Form von Shuttersignalen angesteuert werden. Die Shuttersignale können über die elektrischen Sendesignale, mit denen der Laser der Sendeeinrichtung 24 angesteuert wird, oder gemeinsam mit diesen getriggert werden. So werden die Phasengrößen A_i zu den Sendelichtsignalen 20 in Bezug gebracht. Beispielhaft können die elektrischen Sendesignale zu einem Startzeitpunkt ST getriggert werden. Die Empfangsbereiche 34 werden mit den entsprechend zeitlich versetzten Shuttersignalen getriggert.
Die Empfangseinrichtung 26 kann optional optische Elemente aufweisen, mit denen aus dem Überwachungsbereich 14 kommende Empfangslichtsignale 30 in Richtung der Empfangsbereiche 34 betrachtet abhängig von der Richtung, aus der sie kommen, auf jeweilige Empfangsbereiche 34 abgebildet werden. So kann aus der Position der angeleuchteten Empfangsbereiche 34 innerhalb der Empfangsmatrix 32 die Richtung eines Objektziels 19 oder 19_R an dem das Sendelichtsignal 20 reflektiert wird, ermittelt werden.
In der 4 sind eine Modulationsperiode MP einer Empfangs-Hüllkurve 36 der Phasenbilder DCS₀, DCS₁, DCS₂ und DCS₃ in einem gemeinsamen Signalstärke-Zeit-Diagramm gezeigt. Dabei ist die Signalstärkenachse mit „S“ und die Zeitachse mit „t“ bezeichnet.
Die Empfangs-Hüllkurve 36 ist gegenüber dem Startzeitpunkt ST zeitlich versetzt. Der Zeitversatz in Form einer Phasendifferenz Φ charakterisiert die Flugzeit zwischen dem Aussenden des Sendelichtsignals 20 und dem Empfang des entsprechenden Empfangslichtsignals 30.
Aus der Phasendifferenz Φ kann die Entfernungsgröße D für das reflektierende Objekt 18 ermittelt werden. Die Phasenverschiebung Φ kann auch selbst als Entfernungsgröße für die Entfernung D verwendet werden. Die Flugzeit ist bekanntermaßen proportional zur Entfernung des Objektziels 19 relativ zu dem LiDAR-System 12.
Die Empfangs-Hüllkurve 36 kann durch beispielhaft vier Stützstellen in Form der vier Phasenbilder DCS₀, DCS₁, DCS₂ und DCS₃ angenähert werden. Alternativ kann die Empfangs-Hüllkurve 36 auch durch mehr oder weniger Stützstellen in Form von Phasenbildern angenähert werden.
Die Aufnahmezeitbereiche TB₀, TB₁, TB₂ und TB₃ werden jeweils bezogen auf ein Referenzereignis beispielhaft in Form eines Triggersignals für das elektrische Sendesignal zum Startzeitpunkt ST gestartet. Beispielhaft erstreckt sich die Modulationsperiode MP des Sendelichtsignals 20 über 360°. Die Aufnahmezeitbereiche TB₀, TB₁, TB₂ und TB₃ starten beispielhaft jeweils bezogen auf die Modulationsperiode MP mit einem Abstand von 90° zueinander. Die Aufnahmezeitbereiche TB₀, TB₁, TB₂ und TB₃ starten also mit Phasenverschiebungen von 0°, 90°, 180° beziehungsweise 270° gegenüber dem Startzeitpunkt ST.
Eine Entfernungsgröße D für ein erfasstes Objekt 18 kann beispielhaft aus den Amplituden, also den Phasengrößen A₀, A₁, A₂ und A₃, der Phasenbilder DCS₀, DCS₁, DCS₂ und DCS₃ für einen jeweiligen Empfangsbereich 34 in hier nicht weiter interessierenden Weise rechnerisch ermittelt werden.
In der 5 ist ein Entfernungsbild einer Szene in Graustufendarstellung gezeigt, welches mit dem LiDAR-System 12 mit einer Integrationsdauer von 210 µs erfasst wurde. 7 zeigt ein Entfernungsbild derselben Szene in Graustufendarstellung, welches mit dem LiDAR-System 12 mit einer Integrationsdauer von 1 µs erfasst wurde.
Bei den Entfernungsbildern aus den 5 und 7 sind in der horizontalen Dimension jeweils die 320 Spalten der der Empfangsmatrix 32 angegeben. Jede Spalte charakterisiert die horizontale Richtung, aus der die mit den Empfangsbereichen 34 (Pixel) der Spalte empfangenen Empfangslichtsignale 30 kommen, in der sich also das entsprechende Objektziel 19 beziehungsweise 19_R befindet. In der vertikalen Dimension des Entfernungsbildes sind die 240 Zeilen der Empfangsmatrix 32 angegeben. Jede Zeile charakterisiert die vertikale Richtung, aus der die mit den Empfangsbereichen 34 (Pixel) der Zeile empfangenen Empfangslichtsignale 30 kommen, in der sich also das entsprechende Objektziel 19 beziehungsweise 19_R befindet. Die Entfernungsgrößen D für die erfassten Objektziele 19 beziehungsweise 19_R sind in Graustufen entsprechend einer neben dem Entfernungsbild gezeigten Graustufenskala definiert.
6 zeigt ein Intensitätsprofil durch die Zeile 90 des Entfernungsbildes aus der 5. 8 zeigt ein Intensitätsprofil durch die Zeile 90 des Entfernungsbildes aus der 7.
In der Szene aus den 5 und 7 befinden sich mehrere Objekte 18, beispielsweise zwei Wände und das Straßenschild aus der 2, im Überwachungsbereich 14 des LiDAR-Systems 12.
Bei der kürzeren Integrationsdauer von 1 µs können lediglich die jeweiligen Entfernungsgrößen D, beispielhaft etwa 1,2 m, der retroreflektiven Objektziele 19_R des Straßenschilds (Objekt 18), wie in dem Entfernungsbild aus der 7 gezeigt, ermittelt werden. Die Integrationsdauer von 1 µs ist so gewählt, dass die Empfangsbereiche 34 der Empfangsmatrix 32 die von den Empfangslichtsignalen 30 getroffen werden, welche von den retroreflektiven Objektziele 19_R stammen, nicht übersättigt werden. Die von den normal reflektierenden Objektzielen 19 der Szene kommenden Empfangslichtsignale 30 sind jedoch zu schwach, um in den entsprechenden Empfangsbereichen 34 messbare Signale zu erzeugen. In dem Entfernungsbild in der 7 ist daher in der Umgebung des Straßenschilds (Objekt 18) und im Bereich des normal reflektierenden Tankstellensymbols lediglich Rauschen erkennbar.
Die Verwendung des LiDAR-Systems 12 mit der längeren Integrationsdauern von 210 µs, welche erforderlich ist, um auch normal reflektierende Objektziele 19, wie beispielsweise in der 5 die Wände zu erfassen, führt nicht nur zu einer Übersättigung von Empfangsbereichen 34, die von an den retroreflektiven Objektzielen 19_R reflektierten Empfangslichtsignalen 30 getroffen werden, sondern auch zu einer Verfälschung der Signale der Empfangsbereiche 34 in der Nähe der mit den Empfangslichtsignalen 30 von den retroreflektiven Objektzielen 19_R getroffenen Empfangsbereiche 34. Diese Verfälschung wird als Blooming oder Blendung (glare) bezeichnet. Das Blooming führt zu einem Fehler bei der Bestimmung der Entfernungsgrößen D für Objektziele 19 in der Nähe stark reflektierender Objektziele 19_R. Die Entfernungsgrößen D der normal oder schwach reflektierenden Objektziele 19 werden, wie in der 5 gezeigt, zu der Entfernungsgröße D der retroreflektiven Objektziele 19_R hin verfälscht. In den 5 und 6 ist in der Nachbarschaft der Empfangsbereiche 34, die von den Empfangslichtsignalen 30 getroffen werden, die von den retroreflektiven Objektzielen 19_R kommen, Bloomingbereiche 38 erkennbar. Die Bloomingbereiche 38 erstrecken sich über die Empfangsbereiche 34, welche zu den übersättigten Empfangsbereichen 34 benachbart sind. Die mit den Empfangsbereichen 34 aus dem Bloomingbereichen 38 ermittelten Entfernungsgrößen D charakterisierend die Entfernungen der jeweils benachbarten retroreflektiven Objektziele 19_R des Straßenschilds, nämlich etwa 1,2 m.
Um auch bei Integrationsdauern, welche zur Übersättigung von Empfangsbereichen 34 durch von retroreflektiven Objektzielen 19_R kommenden Empfangslichtsignale 30 führen und daher Entfernungsbestimmungen für die retroreflektiven Objektziele 19_R unmöglich machen, dennoch die Entfernungsgrößen D zu ermitteln, wird das LiDAR-System 12 wie im Folgenden beschrieben betrieben.
Bei dem Verfahren zum Betreiben des LiDAR-Systems 12 wird mit der Sendeeinrichtung 24 ein amplitudenmoduliertes Flash-Sendelichtsignal 20 in den Überwachungsbereich 14 gesendet.
Das Sendelichtsignal 20 wird, sofern vorhanden, an Objektzielen 19 beziehungsweise 19_R reflektiert. In der in der 5 dargestellten Szene wird das Sendesignal 20 beispielsweise an den Objektzielen 19 und 19_R des Straßenschilds und den Wänden reflektiert. Ein Teil des Sendelichtsignals 20 wird an den Objektzielen 19 und 19_R reflektiert und als Empfangslichtsignale 30 in Richtung der Empfangseinrichtung 26 gestrahlt.
Mit der Empfangseinrichtung 26 wird eine Messung mit einer Integrationsdauer durchgeführt, während der die Empfangslichtsignale 30 aus dem Überwachungsbereich 14 mit den Empfangsbereichen 34 in den vier Aufnahmezeitbereichen TB₀, TB₁, TB₂ und TB₃ empfangen werden.
Die Länge der Integrationsdauer ist so gewählt, dass auch die schwächeren Empfangslichtsignale 30 von den normal reflektiven Objektzielen 19, beispielsweise dem Tankstellensymbol auf dem Straßenschild und den Wänden, ausreichen, um in den Empfangsbereichen 34 von Rauschen unterscheidbare Empfangssignale zu generieren. Beispielsweise beträgt die Integrationsdauer etwa 210 µs. Die an den retroreflektiven Objektzielen 19_R reflektierten Empfangslichtsignale 30 sind jedoch so stark, dass sie zu einer Übersteuerung in den entsprechenden Empfangsbereichen 34 der Empfangsmatrix 32 führen. In der Graustufendarstellung der 5 sind die übersteuerten Empfangsbereiche 34 schwarz gezeigt. Bei dem in der 6 gezeigten Intensitätsprofil des Entfernungsbildes sind für die übersteuerten Empfangsbereiche 34 keine Werte für die Entfernungsgrößen D eingetragen, da diese wegen der Übersättigung nicht ermittelt werden können.
Für jeden der Empfangsbereiche 34 wird der jeweils empfangene Anteil der Empfangslichtsignale 30 in die vier entsprechenden und dem jeweiligen Empfangsbereich 34 zugeordneten Phasengrößen A₀, A₁, A₂ und A₃ umgewandelt.
Anschließend werden die Empfangsbereiche 34 jeweils auf Übersättigung hin überprüft. Ein Empfangsbereich 34 wird als übersättigt erkannt, wenn eine der diesem Empfangsbereich 34 zugeordneten Phasengrößen A₀, A₁, A₂ oder A₃ oberhalb eines vorgegebenen Sättigungsgrenzwertes liegt. Ein Empfangsbereich 34 wird als nicht-übersättigt erkannt, wenn alle der diesem Empfangsbereich 34 zugeordneten Phasengrößen A₀, A₁, A₂ und A₃ unterhalb des Sättigungsgrenzwertes liegen.
Für die nicht übersättigten Empfangsbereiche 34 wird jeweils aus deren zugeordneten Phasengrößen A₀, A₁, A₂ und A₃ eine entsprechende Entfernungsgröße D, ermittelt, welche die Entfernung des Objektziels 19 zu dem entsprechenden nicht übersättigten Empfangsbereich 34 charakterisiert.
Für die übersättigten Empfangsbereiche 34 wird jeweils eine Ersatz-Entfernungsgröße D* eingesetzt. Die Ersatz-Entfernungsgröße D* wird aus den Entfernungsgrößen D ermittelt, welche für die nächstliegenden nicht übersättigten Empfangsbereichen 34 ermittelt wurden. Hierzu werden für jeden übersättigten Empfangsbereich 34 alle nächstliegenden nicht übersättigten Empfangsbereiche 34 der ersten Reihe herangezogen. Die erste Reihe wird von den nicht übersättigten Empfangsbereichen 34 gebildet, zwischen denen und dem jeweiligen übersättigten Empfangsbereich 34 jeweils in gerader Linie sich kein weiterer nicht übersättigter Empfangsbereich 34 befindet. Diese nicht übersättigten Empfangsbereiche 34 liegen im Bloomingbereich 38. Die Ersatz-Entfernungsgröße D* für einen übersättigten Empfangsbereich 34 wird beispielsweise durch Mittelung der Entfernungsgrößen D der entsprechenden nächstliegenden nicht übersättigten Empfangsbereiche 34 ermittelt.
Bei der in den 5 und 6 gezeigten beispielhaften Szene werden die Ersatz-Entfernungsgrößen D* für die übersättigten Empfangsbereiche 34, welche den retroreflektiven Objektzielen 19_R des Straßenschilds entsprechen, aus den Entfernungsgrößen D der nicht übersättigten Empfangsbereiche 34, welche dem äußeren Ring der normal reflektierenden Objektziele 19 des Tankstellensymbols des Straßenschilds entsprechen, und der nicht übersättigten Empfangsbereiche 34, welche einen gedachten Ring um die übersättigten Empfangsbereiche 34 für die retroreflektiven Objektziele 19_R charakterisieren, ermittelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2020/0072946 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Systems (12), insbesondere eines LiDAR-Systems eines Fahrzeugs (10), bei dem wenigstens ein elektromagnetischer Abtaststrahl (20) mit wenigstens einer Sendeeinrichtung (24) des LiDAR-Systems (12) in wenigstens einen Überwachungsbereich (14) gesendet wird, wenigstens ein aus dem wenigstens einen Überwachungsbereich (14) kommender elektromagnetischer Empfangsstrahl (30), welcher von dem wenigstens einen an wenigstens einem Objektziel (19, 19_R) reflektierten elektromagnetischen Abtaststrahl (20) herrührt, mit wenigstens einem von mehreren Empfangsbereichen (34) einer Empfangsmatrix (32) einer Empfangseinrichtung (26) des LiDAR-Systems (12) empfangen wird, wenigstens ein Teil des wenigstens einen empfangenen elektromagnetischen Empfangsstrahls (30) in Empfangsgrößen (A₀, A₁, A₂, A₃) umgewandelt wird, wobei die Empfangsgrößen (A₀, A₁, A₂, A₃) den Empfangsbereichen (34), die von dem wenigstens einen elektromagnetischen Empfangsstrahl (30) getroffen werden, jeweils zugeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens einen Teil der mit dem wenigstens einen elektromagnetischen Empfangsstrahl (30) getroffenen Empfangsbereiche (34) aus wenigstens einem Teil der jeweiligen Empfangsgrößen (A₀, A₁, A₂, A₃) jeweils wenigstens eine Entfernungsgröße (D) ermittelt wird, welche eine Entfernung des wenigstens einen Objektziels (19, 19_R ) zu dem entsprechenden Empfangsbereich (34), auf den der wenigstens eine elektromagnetische Empfangsstrahl (30) trifft, charakterisiert, falls wenigstens ein Empfangsbereich (34) mit dem wenigstens einen elektromagnetischen Empfangsstrahl (30) übersättigt wird, zu dem wenigstens einen übersättigten Empfangsbereich (34) eine Ersatz-Entfernungsgröße (D*) eingesetzt wird, wobei die Ersatz-Entfernungsgröße (D*) auf Basis wenigstens einer Größe (D) ermittelt wird, die zu wenigstens einem zu dem übersättigten wenigstens einen Empfangsbereich (34) nächstliegenden nicht übersättigten Empfangsbereich (34) ermittelt wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ersatz-Entfernungsgröße (D*) zu dem wenigstens einen übersättigten Empfangsbereich (34) auf Basis wenigstens einer Empfangsgröße (A₀, A₁, A₂, A₃) und/oder wenigstens einer Entfernungsgröße (D) ermittelt wird, die zu wenigstens einem nächstliegenden nicht übersättigten Empfangsbereich (34) ermittelt wurde, insbesondere eine Entfernungsgröße (D) als Ersatz-Entfernungsgröße (D*) verwendet wird, die zu einem nächstliegenden nicht übersättigten Empfangsbereich (34) ermittelt wurde, und/oder zu wenigstens einem übersättigten Empfangsbereich (34) eine individuelle Ersatz-Entfernungsgröße (D*) eingesetzt wird, insbesondere zu jedem übersättigten Empfangsbereich (34) jeweils eine individuelle Ersatz-Entfernungsgröße (D*) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Ersatz-Entfernungsgröße (D*) zu dem wenigstens einen übersättigten Empfangsbereich (34) die Entfernungsgrößen (D) und/oder die Empfangsgrößen (A₀, A₁, A₂, A₃) kombiniert, insbesondere gemittelt, werden, welche zu mehreren nächstliegenden nicht übersättigten Empfangsbereichen (34) ermittelt wurden.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der wenigstens einen Sendeeinrichtung (24) wenigstens ein amplitudenmodulierter Abtaststrahl (20) gesendet wird, der von dem wenigstens einen reflektierten Abtaststrahl (20) stammende wenigstens eine auf wenigstens einen Empfangsbereich (34) treffende elektromagnetische Empfangsstrahl (30) jeweils während wenigstens zwei Aufnahmezeitbereichen (TB₀, TB₁, TB₂, TB₃) in jeweilige Empfangsgrößen (A₀, A₁, A₂, A₃) , insbesondere Phasengrößen, umgewandelt wird, wobei wenigstens zwei der Aufnahmezeitbereiche (TB₀, TB₁, TB₂, TB₃) bezogen auf eine Modulationsperiode (T_MOD) des wenigstens einen gesendeten Abtaststrahls (20) phasenverschoben gestartet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Empfangsbereich (34) als übersättigt erkannt wird, wenn dieser während wenigstens einem der wenigstens zwei Aufnahmezeitbereiche (TB₀, TB₁, TB₂, TB₃) übersättigt wird und/oder ein Empfangsbereich (34) als nicht übersättigt erkannt wird, wenn dieser während allen der wenigstens zwei Aufnahmezeitbereiche (TB₀, TB₁, TB₂, TB₃) nicht übersättigt wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsgrößen (A₀, A₁, A₂, A₃) und/oder die Entfernungsgrößen (D) nach einer Flugzeitmethode, insbesondere einer indirekten Flugzeitmethode, ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des wenigstens einen Überwachungsbereichs (14) mit wenigstens einem elektromagnetischen Flash-Abtaststrahl (20) angestrahlt wird.
LiDAR-System (12), insbesondere ein LiDAR-System (12) eines Fahrzeugs (10), mit wenigstens einer Sendeeinrichtung (24), mit welcher elektromagnetische Abtaststrahlen (20) in wenigstens einen Überwachungsbereich (14) gesendet werden können, mit wenigstens einer Empfangseinrichtung (26), welche wenigstens eine Empfangsmatrix (32) mit mehreren Empfangsbereichen (34) aufweist, mit denen aus dem wenigstens einen Überwachungsbereich (14) kommende elektromagnetische Empfangsstrahlen (30), welche von an wenigstens einem Objektziel (19, 19_R) reflektierten elektromagnetische Abtaststrahlen (20) herrühren, empfangen werden können, und welche Mittel zum Umwandeln von elektromagnetischen Empfangsstrahlen (30) in Empfangsgrößen (A₀, A₁, A₂, A₃) aufweist, die den mit den entsprechenden elektromagnetischen Empfangsstrahlen (30) getroffenen Empfangsbereichen (34) zuordenbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das LiDAR-System (12) Mittel aufweist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
LiDAR-System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Empfangsmatrix (32) mit wenigstens einem CCD-Chip realisiert ist und/oder wenigstens eine Empfangsmatrix (32) mit einem 3D-ToF-Imager realisiert ist.
Fahrzeug (10) aufweisend wenigstens ein LiDAR-System (12), mit wenigstens einer Sendeeinrichtung (24), mit welcher elektromagnetische Abtaststrahlen (20) in wenigstens einen Überwachungsbereich (14) gesendet werden können, mit wenigstens einer Empfangseinrichtung (26), welche wenigstens eine Empfangsmatrix (32) mit mehreren Empfangsbereichen (34) aufweist, mit denen aus dem wenigstens einen Überwachungsbereich (14) kommende elektromagnetische Empfangsstrahlen (30), welche von wenigstens einem Objektziel (19, 19_R) reflektierten elektromagnetische Abtaststrahlen (20) herrühren, empfangen werden können, und welche Mittel zum Umwandeln von elektromagnetischen Empfangsstrahlen (30) in Empfangsgrößen (A₀, A₁, A₂, A₃) aufweist, die den mit den entsprechenden elektromagnetischen Empfangsstrahlen (30) getroffenen Empfangsbereichen (34) zuordenbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (10) Mittel aufweist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.