Beschreibung
Titel
LIDAR-Vorrichtunq mit einer beschleunigten Laufzeitanalyse
Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines
Abtastbereichs, aufweisend eine Sendeeinheit zum Erzeugen von Strahlen und zum Ablenken der Strahlen entlang des Abtastbereichs und aufweisend eine Empfangseinheit mit mindestens einem Detektor zum Empfangen von reflektierten Strahlen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Steuereinheit sowie eine Empfangseinheit.
Stand der Technik
LIDAR (light detection and ranging)-Vorrichtungen weisen Sendeeinheiten zum Aussenden von Strahlen auf und Empfangseinheiten zum Detektieren der zuvor in einem Abtastbereich reflektierten Strahlen. Zum Detektieren der reflektierten Strahlen werden Detektoren eingesetzt. Diese werden üblicherweise dazu eingesetzt, eine Laufzeit der ankommenden Strahlen für die jeweiligen
Bildpunkte des Detektors zu ermitteln. Als Detektoren können beispielsweise Fotodioden oder CCD-Sensoren verwendet werden.
Um eine hohe Tiefenauflösung bzw. Reichweitenauflösung des Detektors zu erreichen, ist es hierbei notwendig, den Detektor entsprechend schnell und oft auszulesen. Dabei können die jeweiligen Bildpunkte bzw. Dioden idealerweise parallel ausgelesen werden.
Als Detektoren können CCD-Sensoren bisher nur bedingt eingesetzt werden, da die Auslesegeschwindigkeit im Vergleich zu Detektorarrays gering ist, woraus eine beschränkte Tiefenauflösung resultiert.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, insbesondere eine LIDAR-Vorrichtung vorzuschlagen, welche eine
Laufzeitanalyse unter uneingeschränktem Einsatz von herkömmlichen CCD- Sensoren ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereichs bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist eine
Sendeeinheit zum Erzeugen von Strahlen und zum Ablenken der Strahlen entlang des Abtastbereichs auf. Des Weiteren weist die LIDAR-Vorrichtung eine Empfangseinheit mit mindestens einem Detektor zum Empfangen von reflektierten Strahlen, wobei einzelne Abschnitte des Detektors zum Detektieren der reflektierten Strahlen in definierten zeitlichen Abständen nacheinander aktivierbar sind oder die reflektierten Strahlen durch einen Deflektor mit einem sich verändernden Ablenkwinkel auf einzelne Abschnitte des Detektor ablenkbar sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Steuereinheit zum Betreiben einer LIDAR-Vorrichtung bereitgestellt, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist einen Deflektor der LIDAR-Vorrichtung oder einen Detektor der LIDAR-Vorrichtung anzusteuern. Zusätzlich kann die Steuereinheit als eine Auswerteeinheit ausgestaltet sein. Die Steuereinheit kann vorzugsweise das vom Detektor erhaltene Signal dazu nutzen, um eine Weiterverarbeitung
vorzunehmen. Insbesondere kann die Weiterverarbeitung hochparallel erfolgen und parallel arbeitende Prozessoren, wie beispielsweise GPUs oder FPGAs, aufweisen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Empfangseinheit, insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung, bereitgestellt. Die Empfangseinheit weist einen Detektor auf, wobei einzelne Abschnitte des Detektors sukzessive
mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit zum Detektieren von reflektierten Strahlen aktivierbar sind oder, wobei die einzelnen Abschnitte des Detektors durch einen Deflektor mit einem sich gleichmäßig verändernden Ablenkungsgrad mit reflektierten Stahlen bestrahlbar sind.
Durch die LIDAR-Vorrichtung und die eingesetzte Empfangseinheit können mit Hilfe des Deflektors die Strahlen zu verschiedenen Zeiten auf verschiedene Orte auf dem Chip bzw. dem Detektor gelenkt werden. Dadurch kann eine
Laufzeitanalyse im Chip selbst entfallen, sodass schnell agierende Detektor nicht notwendig sind. Insbesondere können durch die LIDAR-Vorrichtung die
Anforderungen an die Auslesegeschwindigkeit verringert werden.
Dadurch kann die Laufzeit in einen Ort innerhalb des Detektors kodiert werden, sodass Laufzeitanalyse auf eine Bildanalyse transformiert wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich statt über den Detektor bzw. Sensor mit den
empfangenen Strahlen zu scannen, einzelne Zeilen des Detektors nacheinander aktiv zu schalten.
Die Strahlen werden vorzugsweise mit einem sich konstant verändernden Ablenkungsgrad über den Detektor hinweg abgelenkt. Hierdurch können reflektierte Strahlen aus einer minimalen Entfernung beispielsweise in einem Randabschnitt des Detektors abgebildet werden und die aus einer maximalen Entfernung zurückreflektierten Strahlen auf einem gegenüberliegenden
Randabschnitt gelenkt werden. Die gesamte Fläche des Detektors kann somit als Indikator für die unterschiedlichen möglichen Laufzeiten der reflektierten Strahlen dienen. Basierend auf dem Ort bzw. dem Abschnitt, welcher die reflektierten Strahlen detektiert, kann eine Laufzeit der entsprechenden Strahlen abgeleitet werden.
Der Deflektor kann beispielsweise mit einer konstanten Geschwindigkeit den Grad der Ablenkung der ankommenden Strahlen entlang der Fläche des
Detektors verändern. Der Deflektor kann beispielsweise bei einem Emittieren der Strahlen den Grad der Ablenkung derart einstellen, dass die reflektierten
Strahlen auf einen Randabschnitt oder eine Ecke des Detektors gelenkt werden. Mit zunehmender Zeit verändert sich der Grad der Ablenkung kontinuierlich
weiter, bis die Zeit erreicht ist, welche reflektierte Strahlen benötigen, um aus einer maximalen Entfernung der LIDAR-Vorrichtung zurück zum Detektor zu gelangen. Anschließend kann der Deflektor den Ablenkungsgrad erneut an den Rand der Detektorfläche ausrichten. Der Deflektor kann hierbei den
Ablenkungsgrad beliebig einstellen, wodurch die ankommenden Strahlen abhängig von ihrer Laufzeit an definierte Positionen bzw. Abschnitte des Detektors gelenkt werden. Hierbei Ablenkung der am Detektor ankommenden Strahlen kann entlang der gesamten Fläche des Detektors in zwei Dimensionen ausgestaltet sein.
Basierend auf der Position der am Detektor detektierten Strahlen kann die Laufzeit technisch einfach zugeordnet werden, sodass der Detektor nicht mehr vollständig von einer Auswerteeinheit ausgelesen werden muss. Vielmehr reicht eine Identifizierung des Abschnitts des Detektors aus, welcher den Strahl wahrgenommen hat, um die Laufzeit des entsprechenden Strahls und damit die Entfernung zu ermitteln.
Die Ablenkung der Strahlen auf den Detektor kann durch das Einwirken des Deflektors oder durch entsprechendes bereichsweises aktivieren und deaktivieren von einzelnen Bereichen des Detektors erfolgen. Durch das Aktivieren und Deaktivieren von unterschiedlichen Abschnitten des Detektors kann die Ablenkfunktion des Deflektors durch Ansteuern einzelner Bildpunkte oder Flächenabschnitte des Detektors nachgeahmt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der mindestens eine Detektor als ein CCD-Sensor oder als ein Detektorarray ausgestaltet. Durch die Verwendung eines Detektorarrays anstatt eines Einzeldetektors kann die Messung der ankommenden Strahlen hochparallel gestaltet und somit die Effizienz erhöht werden. Insbesondere muss der Detektor nicht mehr schnell und oft auslesbar sein, um eine entsprechende Tiefenauflösung zu generieren. Die
Tiefenauflösung kommt allein von der Strahlbewegung über den Sensor.
Durch den Einsatz eines CCD-Sensors bzw. CCD-Chips kann eine preiswerte und hochauflösende Alternative zu Detektorarrays realisiert werden. Der CCD- Sensor kann abschnittsweise oder reihenweise aktiviert werden. Die aktivierten
Abschnitte können ankommendes Licht oder ankommende Strahlen detektieren. Durch Wechseln der aktivierten Abschnitte nach definierten konstanten oder veränderlichen Zeitabschnitten kann abhängig davon, welche Abschnitte die ankommenden Strahlen detektieren, eine Laufzeit den ermittelten Strahlen zugeordnet werden. Hierbei kann das vollständige Signal bzw. die reflektierten Strahlen auf dem gesamten CCD-Sensor abgebildet werden. Dabei können die Detektorpixel beispielsweise reihenweise auf empfindlich geschaltet werden. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass ein Deflektor entfallen kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die einzelnen Abschnitte des
Detektors punktförmig, flächig oder linienförmig geformt. Die Abschnitte können somit flexibel durch eine Steuereinheit oder Auswerteeinheit aktiviert werden.
Beispielsweise kann das Prinzip für die Detektion einer ganzen Laserlinie, eines sogenannten vertical Flash, nutzen. Dabei wird die gesamte Laserlinie abgelenkt und somit auf einem zweidimensionalen Sensor in einer Richtung die Laufzeit, und in der anderen Richtung der Ort detektiert. Dadurch gestaltet sich das Prinzip hochparallel und das erhaltene Signal eignet sich vorzugsweise zur Weiterverarbeitung in parallelen Prozessoren wir GPUs oder FPGAs.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Deflektor ein Akustooptischer Modulator. Je nach Ausgestaltung kann die Empfangseinheit neben dem
Detektor einen Deflektor aufweisen. Der Deflektor kann dabei auf verschiedene Art realisiert werden. Beispielsweise können akustooptische Deflektoren, Mikrospiegel oder andere Deflektoren eingesetzt werden. Diese können vorzugsweise mit der Steuereinheit gekoppelt und von dieser ansteuerbar sein. Durch den Deflektor wird das einfallende Licht auf einen oder mehrere ausgewählte Pixel bzw. eine ausgewählte Zeile des Detektors gelenkt. Der Deflektor verändert dabei mit konstanter Geschwindigkeit den Grad der
Ablenkung. Dadurch wird die Laufzeit des ankommenden Strahls im Ort des Pixels bzw. der Zeile kodiert und kann anschließend durch Bildverarbeitung verarbeitet werden. Basierend auf der örtlichen Verteilung der detektierten Strahlen auf der Detektorfläche kann eine Laufzeit dem detektierten Strahlen zugeordnet werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die LIDAR-Vorrichtung eine
Steuereinheit auf, die mit dem Detektor und/oder dem Deflektor verbunden ist. Hierdurch kann eine aktive Ansteuerung des Deflektors und/oder des Detektors durch die Steuereinheit erfolgen. Insbesondere kann eine kontinuierliche Variation der bestrahlten oder aktivierten Bereiche des Detektors durch die Steuereinheit umgesetzt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist innerhalb einer Laufzeitspanne entsprechend einem Reichweitenbereich der LIDAR-Vorrichtung jeder Abschnitt des Detektors mindestens einmal aktivierbar oder bestrahlbar. Die erreichbare Tiefenauflösung des Detektorkonzepts (bzw. wie viele verschiedene Laufzeiten detektiert werden können), hängt allgemein von der Anzahl der Detektorpixel in der scannenden Richtung entlang der Detektorfläche ab und von der
Scanfrequenz. Für beispielsweise LIDAR-Reichweiten im Bereich von etwa 10- 200m ist eine Lichtlaufzeit von 0.07-1 3ps zu erwarten. Damit kann innerhalb dieser Zeitspanne der komplette Detektor abgerastert werden. Das bedeutet, dass die Deflektorfrequenz gemäß diesem Beispiel im Bereich von etwa 770kHz liegt. Dadurch sind bei LI DAR Anwendung vorzugsweise nicht-mechanische Deflektoren einsetzbar. Derartige Deflektoren können beispielsweise
akustooptische Modulator sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind mindestens zwei zeitlich versetzt reflektierte Strahlen von unterschiedlichen aktivierten Abschnitten des Detektors detektierbar oder von dem Deflektor auf unterschiedliche Abschnitte des Detektors oder nacheinander auf den Detektor lenkbar. Hierdurch kann die Wiederholfrequenz zu Lasten der Auflösung reduziert werden indem innerhalb eines Detektorumlaufs mehrere Signale detektiert werden. Das Prinzip ist dabei frei skalierbar und kann auf die technischen Spezifikationen angepasst werden. Hierbei können parallel oder versetzt mehrere Strahlen auf jeweils
unterschiedliche Bereiche des Detektors gelenkt werden.
Alternativ oder zusätzlich können die erzeugten Strahlen in den Abtastbereich nacheinander pulsartig ausgestrahlt werden. Diese Strahlenpulse können innerhalb eines Messzyklus gemessen und somit zeitlich nacheinander auf dem Detektor scannend abgebildet werden.
Eine entsprechende Empfangseinheit ist nicht nur auf LIDAR-Vorrichtungen bzw. -Anwendungen beschränkt und kann generell bei allen Anwendungen eingesetzt werden, welche Laufzeitmessungen von Strahlen durchführen.
Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen
Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Die Figur 1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die LIDAR-Vorrichtung 1 weist eine Sendeeinheit 2 und eine Empfangseinheit 4 auf.
Die Sendeeinheit 2 dient zum Erzeugen und Emittieren von Strahlen 6 entlang eines Abtastbereiches A. Beispielsweise können die erzeugten Strahlen 6 als Laserstrahlen ausgestaltet sein. Hierfür weist die Sendeeinheit 4 einen der Einfachheit halber nicht dargestellten Laser auf. Die Sendeeinheit 2 kann die Strahlen 6 mit einer definierten Pulsfrequenz erzeugen und emittieren. Dies kann durch eine Steuereinheit 8 koordiniert und initiiert werden.
Die Empfangseinheit 4 weist einen Detektor 10 und einen Deflektor 12 auf. Die auf an der Empfangseinheit 4 ankommenden bzw. im Abtastbereich A
reflektierten Strahlen 14 werden von der Empfangseinheit 4 auf einen Deflektor 12 gelenkt.
Der Deflektor 12 ist hier als ein Akustooptischer Modulator ausgeführt und wird von der Steuereinheit 8 angesteuert. Durch den Deflektor 12 werden die ankommenden Strahlen 14 auf kontinuierlich wechselnde Abschnitte des Detektors 10 gelenkt, wodurch eine Laufzeitanalyse basierend auf dem Ort auf dem Detektor 10, welcher die Strahlen 14 detektiert, durchführbar ist.
In der Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit 4 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Ablenkungsgrad der
ankommenden Strahlen 14 durch den Deflektor 12 wird mit einer konstanten Geschwindigkeit verändert.
Der Detektor 10 ist der Übersicht halber als ein Zeilendetektor dargestellt, um das Funktionsprinzip zu verdeutlichen. Der Detektor 10 ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
Durch den sich zeitlich verändernden Ablenkungsgrad der ankommenden Strahlen 14 können ausgehend von dem Zeitpunkt to der Strahlenerzeugung jedem Detektorabschnitt 16 eine Zeit zugeordnet werden, welche der
ankommende Strahl 14 benötigt. Gemäß dem Beispiel sind die Abschnitte 16 des Detektors 10 als Detektorpixel ausgestaltet. Ein erster Detektorpixel entspricht somit einem Zeitpunkt t1 , welches der kürzesten Laufzeit der Strahlen 14 und damit der kürzesten messbaren Entfernung entspricht. Entsprechend sind alle Detektorpixel 16 mit einer Laufzeit N kodiert, sodass abhängig davon, welcher Detektorpixel 16 die ankommenden Strahlen 14 detektiert eine Laufzeit ermittelt werden kann.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann das einfallende Licht bzw. Strahlen 14 durch den Deflektor 12 abhängig von der Laufzeit des Lichts 14 abgelenkt werden. Dadurch trifft das Licht je nach Laufzeit auf einen anderen Pixel 16 des Detektors 10. Anschließend lässt sich die Laufzeit aus der Intensitätsverteilung ableiten.
Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit 4 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum ersten
Ausführungsbeispiel, weist die Empfangseinheit 4 als vertikale Laserlinie ausgestaltete ankommende Strahlen 14 auf, welche von dem Deflektor 12 auf einen Detektor 10 gelenkt werden.
Der Detektor 10 kann hier als ein CCD-Sensor ausgeführt sein. Die Strahlen 14 werden als vertikale Linie auf Abschnitte 18 des Detektors 10 gelenkt. Die Abschnitte 18 sind hier als Zeilen des Detektors 10 ausgestaltet, sodass einer Zeile 18 eine Zeitinformation bzw. jeweils ein Laufzeit N zugeordnet ist. Die jeweiligen Spalten XI-XN können für zusätzliche Funktionen eingesetzt werden. Beispielsweise können somit parallel die Laufzeit und verschiedene Orte detektiert werden.
Die Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit 4 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen werden unterschiedliche Abschnitte 17, 18, 19 des Detektors 10 durch die Steuereinheit 4 sukzessive oder parallel zueinander aktiviert bzw. erneut deaktiviert.
Dies kann als eine Erweiterung des zweiten Ausführungsbeispiels umgesetzt werden. Der Unterschied liegt darin, dass der Deflektor 12 im Zeitraum ti-tß den ersten Puls auf den Detektor 10 abbildet und danach das Scannen fortsetzt, anstatt zum Anfang des Detektors 10 zurückzukehren. Dadurch kann im darauffolgenden Bereich ein zweiter und entsprechend ein dritter Puls auf den Detektor 10 abgebildet werden.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel erfolgt eine Unterteilung des Sensorarrays bzw. des Detektors 10 zur Detektion mehrerer Strahlen 14, 20, 22. Dabei wird die Zeitauflösung für jeden Einzelpuls 14, 20, 22 um den Faktor drei reduziert, aber auch die notwendige Deflektionsfrequenz beispielsweise von 770kHz auf 256 kHz gesenkt. In einem Detektorbild können somit drei Signale 14, 20, 22 gleichzeitig detektiert werden. Für jedes Signal 14, 20, 22 stehen mehrere Abschnitte 17, 18, 19 zur Verfügung, welche mit entsprechenden Laufzeiten ti-tß kodiert sind.