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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines LiDAR-Systems mit einer Sendevorrichtung und einer Empfangsvorrichtung.
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Stand der Technik
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LiDAR-Systeme werden zur Abstandsmessung für verschiedene Einsatzzwecke verwendet, zum Beispiel in der Vermessung sowie zunehmend im Automotive Bereich (autonomes Fahren) und im Consumermarkt. Wesentlicher Kern eines LiDAR-Systems ist eine Lichtquelle (vorzugsweise ein Laser), der ein zeitlich strukturiertes Lichtsignal aussendet. Dieses wird an Objekten reflektiert und von einer Empfangsvorrichtung detektiert. Die Entfernung wird durch die Laufzeit des Signals berechnet. Ein häufig verwendetes Verfahren ist das „Direct Time-of-Flight“, bei dem ein einzelner Puls ausgesendet wird und dessen Laufzeit bestimmt.
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Um einen Laserstrahl über eine Szene zu bewegen, existieren mehrere Verfahren. Der Laser kann hierfür beispielsweise auf einem Rotor platziert werden, sodass der Strahl periodisch in verschiedene Richtungen bewegt wird. Um die korrekte Bewertung der reflektierten Pulse durchführen zu können, ist es notwendig, die Signalamplituden möglichst gut zu vermessen. Dies stellt an die Empfängertechnologie regelmäßig hohe Ansprüche. Da einerseits Pulse von schwachreflektierenden Objekten in großer Entfernung und andererseits ebenfalls nahe hochreflektive Objekte noch erkannt werden müssen, ist für die Signalauswertung ein hoher Dynamikbereich erforderlich (z.B. 106.. 107). Diesen Dynamikbereich kann derzeit kaum eine Empfängertechnologie kostengünstig umsetzen. Insbesondere für Objekte hoher Reflektivität (Retroreflektoren / Verkehrschilder) kann dies signifikante Probleme im System verursachen, da hier typischerweise das Signal in eine starke Sättigung gerät und verzerrt wird.
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Manche Systeme versuchen dieses Problem aktiv z.B. durch einen „Vorpuls“ mit geringerer Intensität zu lösen. Dazu werden zwei Pulse ausgesandt, wobei der erste ein geringeres Echo erzeugt und damit nicht den Empfänger überlastet. Anschließend wird ein weiterer Puls ausgesandt, dessen Echosignal dann verworfen werden kann, wenn der erste Puls bereits eine gute Messung ergeben hat.
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Die Druckschrift
CN 111856434A beschreibt ein Verfahren zur Kalibrierung eines LiDAR-Systems.
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Die Druckschrift
US 2020/0200910A1 beschreibt ein LiDAR-System, welches eine Multipulsfolge aussendet.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Offenbart wird ein Verfahren zum Betrieb eines LiDAR-Systems mit einer Sendevorrichtung und einer Empfangsvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs. Dabei wird ein Laserstrahl ausgesendet. Anschließend erfolgt ein erstes Empfangen des reflektierten Laserstrahls, wobei in Abhängigkeit des ersten Empfangens eine erste Laufzeit und eine erste Intensität des reflektierten Laserstrahls ermittelt wird. Weiterhin wird der reflektierte Laserstrahl ein zweites Mal empfangen. Dies kann beispielsweise aus weiteren Reflektionen resultieren, also zu einem späteren Zeitpunkt. Anschließend wird in Abhängigkeit des zweiten Empfangens eine zweite Laufzeit und eine zweite Intensität des reflektierten Laserstrahls ermittelt. In Abhängigkeit der ersten Intensität und der zweiten Intensität wird eine Gesamtintensität des reflektierten Laserstrahls ermittelt. Dies ist vorteilhaft, da eine Messung von Retroreflektoren verbessert wird, ohne dass ein zweiter aktiver Pulse notwendig ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßigerweise wird der reflektierte Laserstrahl beim zweiten Empfangen zu einem späteren Zeitpunkt empfangen als beim ersten Empfangen. Somit werden Mehrfachreflektionen, die im Zusammenhang mit Retroreflektoren auftreten, gezielt zur Verbesserung der Empfangsdynamik des LiDAR-Systems ausgenutzt. Durch die hohe Reflektivität der Retroreflektoren kann nach Reflektion des Laserstrahls am Retrorereflektor wiederum vom LiDAR-System selbst der Laserstrahl reflektiert werden, der erneut den Weg zum Retroreflektor und zurück durchläuft. Der mehrfach reflektierte Laserstrahl ist typischerweise sehr gut identifizierbar, da er zur doppelten Laufzeit des ersten Empfangens auf der Empfangsvorrichtung eintrifft.
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Zweckmäßigerweise erfolgt das zweite Empfangen des reflektierten Laserstrahls nach einer höheren Anzahl an Reflektionen als das erste Empfangen. Dies ist vorteilhaft, um Mehrfachreflektionen des Laserstrahls an Objekten im Bereich des LiDAR-Systems auszunutzen.
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Zweckmäßigerweise werden noch weitere Mehrfachreflektionen des reflektierten Laserstrahls empfangen und für diese ebenso die Laufzeit und Intensität ermittelt. Dies ist vorteilhaft, um die Genauigkeit der Entfernungsbestimmung des LiDAR-Systems weiter zu verbessern oder die Signifikanz der Detektion des Retroreflektors zu erhöhen.
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Zweckmäßigerweise weist das Verfahren LiDAR-System einen Retroreflektor auf, an dem der reflektierte Laserstrahl reflektiert wird. Dadurch kann in vorteilhafter Weise der Effekt der Mehrfachreflektionen verstärkt werden, was die Robustheit des Gesamtintensitätsermittlung erhöht.
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Zweckmäßigerweise wird die Gesamtintensität zusätzlich in Abhängigkeit der ersten Laufzeit und der zweiten Laufzeit ermittelt. Dies ist vorteilhat, um Merhfachreflektionen sicher bestimmen zu können.
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Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ein LiDAR-System, welches eine Sendevorrichtung zum Aussenden eines Laserstrahles und eine Empfangsvorrichtung zum Empfangen eines Laserstrahles sowie mindestens ein Mittel umfasst, die konfiguriert sind, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Dabei kann das Mittel beispielsweise eine elektronische Steuereinheit oder ein Computer sein. Unter einer elektronischen Steuereinheit kann insbesondere ein elektronisches Steuergerät, welches beispielsweise einen Mikrocontroller und/oder einen applikationsspezifischen Hardwarebaustein, z.B. einen ASIC, umfasst, verstanden werden, aber ebenso kann darunter ein Computer oder eine speicherprogrammierbare Steuerung fallen. Somit können die genannten Vorteile erzielt werden.
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Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung alle Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt. Somit können die genannten Vorteile erzielt werden.
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Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Somit können die genannten Vorteile erzielt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.
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Es zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
- 3 eine schematische Darstellung der Ermittlung einer Gesamtintensität durch ein erfindungsgemäßes Verfahren.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.
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1 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines LiDAR-Systems mit einer Sendevorrichtung und einer Empfangsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform. In einem ersten Schritt S11 wird ein Laserstrahl ausgesandt, bevorzugt durch die Sendevorrichtung. In einem zweiten Schritt S12 wird der Laserstrahl, der an einem im Sichtfeld des LiDAR-Systems liegenden Objekt reflektierte wurde, zum ersten Mal empfangen, bevorzugt durch die Empfangsvorrichtung
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In einem dritten Schritt S13 wird eine erste Laufzeit sowie eine erste Intensität des reflektierten Laserstrahls in Abhängigkeit des Empfangs in dem zweiten Schritt S12 ermittelt. In einem vierten Schritt S14 wird der Laserstrahl, der erneut an einem im Sichtfeld des LiDAR-Systems liegenden Objekt reflektiert wurde, insbesondere am gleichen Objekt wie bei der ersten Reflektion, zum zweiten Mal empfangen. Es liegt somit eine Doppelreflektion vor.
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In einem fünften Schritt S15 wird eine zweite Laufzeit des reflektierten Laserstrahls und die entsprechende zweite Intensität in Abhängigkeit des Empfangs in dem vierten Schritt S14 ermittelt. In einem sechsten Schritt wird eine Gesamtintensität des reflektierten Laserstrahls in Abhängigkeit der ersten Intentsität und der zweiten Intensität ermittelt, beispielsweise durch eine Art Summenbildung.
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Entsprechend dem dargestellten Vorgehen können auch mehrfache Reflektionen, beispielweise drei Reflektionen, welche beispielsweise von einem Retroreflektor resultieren können, zur Ermittlung der Gesamtintensität genutzt werden. Dazu wird wie vorstehend beschrieben der reflektierte Laserstrahl zu unterschiedlichen Zeitpunkten mehrfach empfangen, die entsprechende Laufzeit und Intensität ermittelt und abschließend entsprechend die Gesamtintensität ermittelt. Über die Auswertung der entsprechenden Laufzeiten können die entsprechenden Reflektionen zugeordnet werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 21 gemäß einer Ausführungsform. Die Vorrichtung 21 umfasst dabei eine Sendevorrichtung 22 zum Aussenden eines Laserstrahls und eine Empfangsvorrichtung 23 zum Empfangen des Laserstrahls. Weiterhin weist die Vorrichtung 21 eine Recheneinheit 24 auf, die eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren, wie oben beschrieben, auszuführen. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 21 eine für den Laserstrahl durchlässige Abdeckung 26 zum Schutz vor äußeren Einflüssen.
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Ein von der Sendevorrichtung 22 ausgesandter Laserstrahl 29 trifft nach einmaliger Reflexion an einem Objekt 27, insbesondere einem Retroreflektor, in verschiedene Richtungen wieder auf die Vorrichtung 21, genauer auf die Empfangsvorrichtung 23 sowie einen an der Vorrichtung 21 angebrachten Retroreflektor 25. In der Empfangsvorrichtung 23 wird der Laserstrahl registriert und ausgewertet. Von dem Retroreflektor 25 wird der Laserstrahl 29 wiederum reflektiert und in der Folge mit dem Bezugszeichen 28 bezeichnet. Der zweifach reflektierte Laserstrahl 28 wird wiederum an dem Objekt 27 reflektiert und wurde somit zum dritten Mal reflektiert. Nach dieser dritten Reflexion trifft der Laserstrahl 28 auf die Empfangsvorrichtung 23, wo der Laserstrahl 28 registriert und ausgewertet wird. Der Retroreflektor 25 unterstützt dies, indem er den Laserstrahl mit hoher Intensität reflektiert und somit ausreichend lichtintensive Mehrfachreflektionen erzeugt.
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3 zeigt eine schematische Darstellung der Ermittlung einer Gesamtintensität durch ein erfindungsgemäßes Verfahren. Zu einem ersten Zeitpunkt t1 wird ein reflektierter Laserstrahl zum ersten Mal empfangen. Es kann somit dessen Laufzeit ab dem Aussenden sowie seine Intensität ermittelt werden. Insbesondere bei Reflektionen an Objekten hoher Reflektivität, bspw. Retroreflektoren oder Verkehrschilder, kann dies Probleme verursachen, da hier typischerweise das Signal in eine starke Sättigung gerät und verzerrt wird, sodass beispielsweise die Intensität nicht korrekt ermittelt werden kann.
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Zu einem zweiten Zeitpunkt t2 = 2 x t1 wird der Laserstrahl zum zweiten Mal empfangen, nachdem er drei Mal, also mehrfach, reflektiert wurde. Wiederum wird die Laufzeit seit dem Aussenden des Laserstrahls sowie seine Intensität ermittelt. Die entsprechenden ermittelten Intensitäten sind in dem Schaubild auf der Ordinatenachse I und und die entsprechenden Laufzeiten auf der der Abszissenachse t abgetragen. Nachdem alle Werte ermittelt wurden, kann beispielsweise eine Gesamtintensität des Laserstrahls ermittelt werden, beispielsweise durch Summation der ermittelten Intensitäten, wie in 3 unten dargestellt.
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Durch die ermittelten Laufzeiten lässt sich feststellen, ob die verschiedenen ermittelten Intensitäten zu dem gleichen Laserstrahl, gegebenenfalls nach Mehrfachreflektion, gehören. Dies ist in 3 dargestellt, wo der Laserstrahls das zweite Mal nach der doppelten Laufzeit als beim ersten Mal empfangen wird. Ebenso kann dies für weitere Mehrfachreflektionen so erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 111856434 A [0005]
- US 2020/0200910 A1 [0006]
