DE112014002787B4

DE112014002787B4 - Verfahren zur Bestimmung des Abstandes eines Objektes mittels eines polarisationsmodulierten Sendelichtstrahls

Info

Publication number: DE112014002787B4
Application number: DE112014002787.1T
Authority: DE
Inventors: Günter Anton Fendt
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2023-03-09
Anticipated expiration: 2034-07-29
Also published as: US20160187471A1; WO2015043584A1; US9971025B2; DE112014002787A5; DE102013219344A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Abstandes eines Objektes (10) mittels eines polarisationsmodulierten Sendelichtstrahls (LS), bei dem der an dem Objekt (10) reflektierte Sendelichtstrahl (LS) als Empfangslichtstrahl (LE) von einem Polarisationsanalysator empfangen und dessen Ausgangssignal einer Auswerteeinheit (A) zur Bestimmung des Abstandes zugeführt wird, wobei- der polarisationsmodulierte Sendelichtstrahl (LS) mittels wenigstens zwei unterschiedlich polarisierte Lichtstrahlen (L1, L2, L3) abgebenden Lichtquellen (D1, D2, D3) erzeugt wird, wobei die Lichtquellen (D1, D2, D3) jeweils mit einem definierten Puls-Pausen-Muster (M1, M2, M3, M4, M5, M6) betrieben werden, und- der Polarisationsanalysator mit mindestens der Anzahl der Lichtquellen (D1, D2, D3) entsprechenden Polarisationsfiltern (P1, P 2, P3) ausgebildet wird, deren Polarisationsebene jeweils einer Polarisationsebene (E1, E2, E3) der Lichtstrahlen (L1, L2, L3) entsprechend angepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (L1, L2, L3) mit disjunkten gegeneinander phasenverschobenen Puls-Pausen-Mustern (M1, M2, M3) betrieben werden oder wenigstens zwei Lichtquellen (L1, L2, L3) mit nichtdisjunkten gegeneinander phasenverschobenen Puls-Pausen-Mustern (M4, M5, M6) betrieben werden, derart, dass die Lichtleistung des polarisationsmodulierten Sendelichtstrahls konstant ist.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung des Abstandes eines Objektes mittels eines polarisationsmodulierten Sendelichtstrahls gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Vermehrt werden heutige Fahrzeuge mit Assistenz- und Sicherheitssystemen, wie bspw. Navigationssysteme, ACC-Systeme (Adaptive Cruise Control), Spurassistenzsysteme, Verkehrszeichenerkennung usw. ausgestattet. Die Funktion vieler dieser Systeme erfordert die Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt im Umfeld des Fahrzeugs, bspw. eines vorausfahrenden Fahrzeugs. Dabei kommen bekannte Verfahren, wie Ultraschall, Infrarot, Laser, Radar, Lidar usw. zur Anwendung, bei denen in der Regel ein codiertes Signal ausgesendet und anhand der Laufzeit des reflektierten Signals der Abstand zu dem Objekt berechnet wird.
Ein gattungsbildendes Verfahren wird in der EP 0 911 645 B1 beschrieben, bei welchem mittels einer optischen Vorrichtung die Entfernung und/oder die Geschwindigkeit eines Objektes mittels eines polarisationsmodulierten Sendelichtstrahls gemessen werden. Diese optische Vorrichtung umfasst eine Laserdiode zur Erzeugung eines längspolarisierten Sendelichtstrahls, dessen Polarisationsebene mittels eines Polarisationsmodulators zwischen einem ersten Polarisationszustand und einem zweiten Polarisationszustand entsprechend eines binären Steuersignals wechselt. Der an dem Objekt als Empfangslicht30 strahl rückgestreute Sendelichtstrahl wird von einem Polarisationsdetektor in einen amplitudenmodulierten Lichtstrahl umgewandelt, um hieraus mittels eines Detektors ein elektrisches Signal zu erzeugen, welches mit dem den Polarisationsmodulator steuernden binären Steuersignal verglichen wird. Aus der Phasenverschiebung zwischen diesen beiden Signalen werden die Entfernung und/oder die Geschwindigkeit des Objektes bestimmt.
Die DE 43 24 308 C1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Sichtweite mittels eines Lidars, der Laserlicht über zwei Empfangskanäle empfängt, die in einem divergenten, spitzen Kippwinkel zueinander ausgerichtet sind. Dadurch kann einfach gestreutes Laserlicht von mehrfach gestreutem Laserlicht getrennt werden, wodurch Rückschlüsse auf die Sichtweite ermöglicht werden.
Aus der EP 1 628 141 A1 ist ein Verfahren zur Detektion und zur Abstandbestimmung von Objekten für eine Adaptiv-Cruise-Control-Funktion eines Fahrzeuges bekannt. Dabei werden einer Mono-Kamera mindestens zwei Messstrahlen-Emitter zugeordnet, welche die Messstrahlen definierter Beleuchtungsmuster emittieren, deren diffuse Reflexionen abgebildet werden.
Die EP 2 159 603 A1 beschreibt ein Objektfeststellungsverfahren zur Feststellung, ob sich ein Objekt innerhalb eines Überwachungsbereiches befindet, wobei ein Lichtpuls vorbestimmter Pulsdauer in den Überwachungsbereich geschickt wird und der an dem Objekt reflektierte Lichtpuls mit einem fotosensitiven Element detektiert wird.
Ferner offenbart die EP 0 911 645 B1 ein optisches Messgerät zur Feststellung der Entfernung zu einem Objekt oder der Geschwindigkeit des Objekts, wobei ein Sendestrahl verwendet wird, der seine Polarisation zwischen unterschiedlichen Polarisationszuständen wechselt.
Aus DE 100 16 892 A1 ist eine optoelektronische Vorrichtung zur Erfassung von zumindest teilweise transparenten Objekten in einem Überwachungsbereich mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Sender und einem Empfänger bekannt, wobei die Sender alternierend Sendelichtimpulse emittieren und die vom ersten Sender emittierten Sendelichtimpulse nicht polarisiert und die vom zweiten Sender emittierten Sendelichtimpulse in einer ersten Polarisationsrichtung polarisiert sind.
Die DE 44 39 298 A1 beschreibt eine 3D-Kamera nach dem Laufzeitprinzip unter Verwendung elektromagnetischer Wellen mit mindestens einem Sender, der eine Lichtwelle auf eine 3D-Szene sendet, sowie einem Empfänger, der die in Richtung des Empfängers reflektierte Lichtwelle über einen zwischendimensionalen Detektor empfängt und demoduliert.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung ein weiteres Verfahren der eingangsgenannten Art zu schaffen, welches insbesondere einfach und kostengünstig realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Ein solches Verfahren zur Bestimmung des Abstandes eines Objektes mittels eines polarisationsmodulierten 15 Sendelichtstrahls, bei dem der an dem Objekt reflektierte Sendelichtstrahl als Empfangslichtstrahl von einem Polarisationsanalysator empfangen und dessen Ausgangssignal einer Auswerteeinheit zur Bestimmung des Abstandes zugeführt wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass

- der polarisationsmodulierte Sendelichtstrahl mittels wenigstens zwei unterschiedlich polarisierten Lichtstrahlen abgebenden Lichtquellen erzeugt wird, wobei die Lichtquellen jeweils mit einem definierten Puls-Pausen-Muster betrieben werden, und
- der Polarisationsanalysator mit mindestens der Anzahl der Lichtquellen entsprechenden Polarisationsfiltern ausgebildet wird, deren Polarisationsebene jeweils einer Polarisationsebene der Lichtstrahlen entsprechend angepasst ist.

In überraschender und einfacher Weise wird bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren der polarisationsmodulierte Sendelichtstrahl mittels wenigstens zwei Lichtstrahlen erzeugt, die unterschiedlich polarisiert sind und jeweils mit einem definierten Puls-Pausen-Muster betrieben werden. Durch die Überlagerung dieser beiden unterschiedlich polarisierten und gepulst betriebenen Lichtstrahlen wird der Sendelichtstrahl erzeugt, der an einem Objekt, dessen Entfernung gemessen werden soll, reflektiert und als Empfangslichtstrahl von dem Polarisationsanalysator empfangen wird. Die Lichtquellen werden dabei mit disjunkten gegeneinander phasenverschobenen Puls-Pausen-Mustern oder wenigstens zwei Lichtquellen mit nichtdisjunkten gegeneinander phasenverschobenen Puls-Pausen-Mustern betrieben, derart, dass die Lichtleistung des polarisationsmodulierten Sendelichtstrahls konstant ist.
Der wesentlichste Vorteil eines solchen Verfahrens liegt darin, dass die Lichtleistung des polarisationsmodulierten Sendelichtstrahls konstant auf einem hohen Niveau gehalten werden kann und dadurch ein hoher Signal-/Nutz-Störabstand erreichbar ist.
Dadurch, dass die Lichtquellen mit disjunkt gegeneinander phasenverschobenen Puls-Pausen-Mustern betrieben werden, weist der Sendelichtstrahl nur die von den jeweiligen Lichtquellen erzeugten Polarisationsebenen auf.
Dadurch, dass wenigstens zwei Lichtquellen mit nichtdisjunkten gegeneinander phasenverschobenen Puls-Pausen-Mustern betrieben werden, weist der Sendelichtstrahl neben den Polarisationsebenen der Lichtquellen auch die durch die Überlagerung der Polarisationsebenen dieser beiden Lichtquellen entstehende Polarisationsebene auf.
Zur gepulsten Ansteuerung der Lichtquellen kann weiterbildungsgemäß als Puls-Pausen-Muster ein PWM-Muster oder ein PPM-Muster verwendet werden. Ein PWM-Muster führt zu einer
Pulsweitenmodulation der Lichtquellen, ein PPM-Muster zu einer Puls-Pausen-Modulation. Des Weiteren stehen zur Polarisation der Lichtquellen unterschiedliche Polarisationsarten zur Verfügung. So können weiterbildungsgemäß die Lichtstrahlen der Lichtquellen linear polarisiert, zirkular oder elliptisch polarisiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung werden zwei Lichtquellen verwendet, deren Lichtstrahlen linear polarisiert sind und die Polarisationsebenen in einem Winkel von 90° zueinanderstehen. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren mit einem geringen konstruktiven Aufwand realisiert werden.
Darüber hinaus ist es weiterbildungsgemäß auch möglich, drei Lichtquellen mit linear polarisierten Lichtstrahlen zu verwenden, deren Polarisationsebenen in einem Winkel von 120° zueinanderstehen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine schematische Darstellung der Polarisationsebenen der in der Vorrichtung nach 1 verwendeten Lichtquellen,
3 eine Puls-Pausen-Muster zur Ansteuerung der in der Vorrichtung nach 1 verwendeten Lichtquellen, und
4 ein weiteres Puls-Pausen-Muster zur Ansteuerung der in der Vorrichtung nach 1 verwendeten Lichtquellen.

Die 1 zeigt eine Vorrichtung 1 eines Fahrzeugs zur Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt 10, welches bspw. ein vorausfahrendes Fahrzeug darstellen kann.
Diese Vorrichtung 1 umfasst drei Laserdioden D1, D2 und D3, die jeweils einen linear polarisierten Lichtstrahl L1, L2 L3 erzeugen. Diese drei Laserdioden D1, D2 und D3 sind derart angeordnet, dass deren Polarisationsebenen E1, E2 und E3 jeweils um 120° zueinander versetzt verlaufen, wie dies in 2 schematisch dargestellt ist. So ist die Polarisationsebene E2 der Laserdiode D2 gegenüber der Polarisationsebene E1 der Laserdiode D1 um 120° und die Polarisationsebene E3 der Laserdiode D3 um weitere 120° verdreht.
Jede dieser drei Laserdioden D1, D2 und D3 wird mit einem Puls-Pausen-Muster angesteuert, wobei diese drei Puls-Pausen-Muster M1, M2 und M3 von einer Steuereinheit S erzeugt und diesen Laserdioden D1, D2 und D3 zugeführt werden. Ein erstes Puls-Pausen-Muster zeigt 3, wobei für alle drei Laserdioden D1, D2 und D3 ein identisches Muster verwendet wird, die jedoch gegeneinander derart phasenverschobenen sind, dass von diesen drei Laserdioden D1, D2 und D3 zu einem Zeitpunkt jeweils nur eine Laserdiode aktiv ist. Diese drei Puls-Pausen-Muster M1, M2 und M3 sind also gegeneinander disjunkt phasenverschoben.
Die drei Lichtstrahlen L1, L2 und L3 der Laserdioden D1, D2 und D3 werden von einer Optik 01 gesammelt und überlagern sich zu einem Sendelichtstrahl LS, der nun polarisationsmoduliert ist. Dieser Lichtstrahl LS weist somit die drei Polarisationsebenen E1, E2 und E3, die sich entsprechend der Lichtimpulse der Lichtstrahlen L1, L2 und L3 abwechseln.
Der Sendelichtstrahl LS wird an dem Objekt 10 reflektiert und trifft als Empfangslichtstrahl LE auf eine zweite Optik O2 der Vorrichtung 1.
Der von der Optik O2 parallelisierte Empfangslichtstrahl LE wird auf einen Polarisationsanalysator geleitet, welcher Polarisationsfilter P1, P2 und P3 umfasst. Die Polarisationsrichtung des Polarisationsfilters P1 ist auf die Polarisationsebene E1 der Laserdiode D1, die Polarisationsrichtung des Polarisationsfilters P2 ist auf die Polarisationsebene E2 der Laserdiode D2 und die Polarisationsrichtung des Polarisationsfilters P3 ist auf die Polarisationsebene E3 abgestimmt bzw. angepasst. Da die Polarisationsebenen E1, E2 und E3 bei der Reflexion an dem Objekt 10 geringfügig gedreht wird, wird diese Drehung bspw. bei der Anordnung der Laserdioden D1, D2 und D3 oder bei der Anordnung der Polarisationsfilter P1, P2 und P3 berücksichtigt. Die Polarisationsrichtung des Polarisationsfilters P1, P2 bzw. P3 stimmt damit mit der Polarisationsebene E1, E2 bzw. E3 der Laserdiode D1, D2 bzw. D3 überein, bedeutet, dass hierbei geringfügige Abweichungen oder geringfügige Verdrehungen berücksichtigt sind, die aufgrund von Reflexionen an dem Objekt 100 oder konstruktiv infolge von Fertigungstoleranzen auftreten können.
Das von den Polarisationsfiltern P1, P 2 und P3 erzeugte Licht LP1, LP2 und LP3 wird jeweils einem Detektor K1, K2 und K3 zugeführt, die hieraus Signale a1, a2 und a3 erzeugen, die einer Auswerteeinheit A zugeführt werden.
Durch Vergleich dieser Signale mit den die Laserdioden D1, D2 und D3 ansteuernden Steuersignalen der Steuereinheit S, die die Puls-Pausen-Muster M1, M2 und M3 beinhalten und die ebenso der Auswerteeinheit A über eine Leitung Lt zugeführt werden, wird mittels dieser Auswerteeinheit A anhand der zeitlichen Phasenverschiebung zwischen diesen Signalen die Entfernung des Objektes 10 bestimmt.
Anstelle der Puls-Pausen-Muster M1, M2 und M3 nach 3 kann auch ein Puls-Pausen-Muster M4, M5 und M6 nach 4 verwendet werden, die ebenso ein identisches Puls-Pausen-Muster darstellen, jedoch zur Bildung der einzelnen Puls-Pausen-Muster M4, M5 und M6 gegeneinander phasenverschobenen 15 sind, so dass die Lichtimpulse von jeweils zwei Laserdioden D1 und D2 oder D1 und D3 oder D2 und D3 gleichzeitig teilweise überlagern.
Der von diesen drei Lichtstrahlen L1, L2 und L3 gebildete Sendelichtstrahl LS weist daher neben den Polarisationsebenen E1, E2 und E3 zusätzlich eine durch jeweils zwei überlagerte Lichtstrahlen L1 und L2 bzw. L1 und L3 bzw. L2 und L3 erzeugte weitere Polarisationsebene auf.
Damit es möglich, dass die vorhandenen Polarisationsfilter P1, P2 und P3 auf diese zuvor genannten neu entstandenen Polarisationsebenen eingestellt werden oder dass zusätzlich zu den Polarisationsfilter P1, P2 und P3 weitere auf diese neu entstandenen Polarisationsebenen eingestellte Polarisationsfilter eingesetzt werden.
Die in den 2 und 3 dargestellten Puls-Pausen-Muster stellen ein PWM-Muster dar, die Laserdioden D1, D2 und D3 werden daher pulsweitenmodulierten angesteuert. Ebenso ist eine Ansteuerung mittels eines PPM-Musters möglich. Neben einem Puls-Pausen-Muster mit konstanten Rahmen kann auch ein Puls-Pausen-Muster mit nicht konstanten Rahmen eingesetzt werden.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispielen werden Lichtstrahlen L1, L2 und L3 mit linear polarisiertem Licht eingesetzt. Als weitere Variation ist ein „rechtsdrehendes“ oder „linksdrehendes“ und/oder „drehrichtungswechselndes“ Modulationsverfahren möglich. Hierzu werden Lichtquellen mit zirkular und/oder elliptisch polarisierten Lichtstrahlen verwendet.
Schließlich ist es auch möglich, hinsichtlich der Puls-Pausen-Muster jeweils Variationen mit gewichteter Verteilung der einzelnen Polarisationsebenen zu verwenden.
Ferner werden in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen Laserdioden verwendet, die bereits linear polarisiertes Licht erzeugen. Ebenso ist es möglich, Lichtquellen mit nicht polarisierten, aber monochromatischen Licht zu verwenden und dieses Licht mit nachgeschalteten Polarisatoren linear oder zirkular bzw. elliptisch zu polarisieren. Schließlich ist es alternativ auch möglich, die gewünschte Polarisationsrichtung über ein elektrisches Feld mittels einer sogenannten Pockels-Zelle einzustellen.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel werden drei Lichtquellen D1, D2 und D3 verwendet, die den Sendelichtstrahl LS bilden. Ein besonders einfacher Aufbau dieser Vorrichtung 1 ergibt sich, wenn anstelle der drei Lichtquellen nur zwei Lichtquellen, bspw. zwei Laserdioden mit zwei um 90° gegeneinander verdrehten Polarisationsebenen verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Abstandes eines Objektes (10) mittels eines polarisationsmodulierten Sendelichtstrahls (LS), bei dem der an dem Objekt (10) reflektierte Sendelichtstrahl (LS) als Empfangslichtstrahl (LE) von einem Polarisationsanalysator empfangen und dessen Ausgangssignal einer Auswerteeinheit (A) zur Bestimmung des Abstandes zugeführt wird, wobei - der polarisationsmodulierte Sendelichtstrahl (LS) mittels wenigstens zwei unterschiedlich polarisierte Lichtstrahlen (L1, L2, L3) abgebenden Lichtquellen (D1, D2, D3) erzeugt wird, wobei die Lichtquellen (D1, D2, D3) jeweils mit einem definierten Puls-Pausen-Muster (M1, M2, M3, M4, M5, M6) betrieben werden, und - der Polarisationsanalysator mit mindestens der Anzahl der Lichtquellen (D1, D2, D3) entsprechenden Polarisationsfiltern (P1, P 2, P3) ausgebildet wird, deren Polarisationsebene jeweils einer Polarisationsebene (E1, E2, E3) der Lichtstrahlen (L1, L2, L3) entsprechend angepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (L1, L2, L3) mit disjunkten gegeneinander phasenverschobenen Puls-Pausen-Mustern (M1, M2, M3) betrieben werden oder wenigstens zwei Lichtquellen (L1, L2, L3) mit nichtdisjunkten gegeneinander phasenverschobenen Puls-Pausen-Mustern (M4, M5, M6) betrieben werden, derart, dass die Lichtleistung des polarisationsmodulierten Sendelichtstrahls konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Puls-Pausen-Muster (M1, M2, M3, M4, M5, M6) ein PWM-Muster verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Puls-Pausen-Muster (M1, M2, M3, M4, M5, M6) ein PPM-Muster verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlen (L1, L2, L3) der Lichtquellen (D1, D2, D3) linear polarisiert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlen (L1, L2, L3) der Lichtquellen (D1, D2, D3) zirkular oder elliptisch polarisiert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Lichtquellen (D1, D2, D3) verwendet werden, deren Polarisationsebenen (E1, E2) in einem Winkel von 90° zueinanderstehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass drei Lichtquellen (D1, D2, D3) verwendet werden, deren Polarisationsebenen (E1, E2, E3) in einem Winkel von 120° zueinanderstehen.