JP6874165B2 - ＬｉＤＡＲシステムのための動作方法および制御ユニット、ＬｉＤＡＲシステム、ならびに動作装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬｉＤＡＲシステムのための動作方法および制御ユニット、ＬｉＤＡＲシステム、ならびに運転装置、特に車両に関する。

運転装置、特に車両の周囲を検出するためには、いわゆる「ＬｉＤＡＲシステム」がますます使用されている。ＬｉＤＡＲシステムは、視野を分析し、視野に含まれている物体を検出するために、視野に光または赤外線を照射し、視野から反射して戻される放射線を検出および評価するように構成されている。

パルス式に動作するＬｉＤＡＲシステムにおいて他の信号源によるクロストークおよび干渉を低減するために、それぞれのＬｉＤＡＲシステムを動作する場合にパルスシーケンス符号化手法が頻繁に採用され、この場合に整合フィルタに関連して検出精度の改善を達成することができる。しかしながら、多くの状況において、この検出精度は不十分である。

これに対して、請求項１の特徴を有するパルスシーケンス符号化して動作可能なＬｉＤＡＲシステムのための本発明による動作方法は、付加的な装置なしに検出精度のさらなる向上を達成することができるという利点を有する。これは、本発明によれば、請求項１の特徴において、ＳＰＡＤベースの検出器素子によって動作するパルスシーケンス符号化して動作可能なＬｉＤＡＲシステムの動作方法が提供され、ＳＰＡＤベースの検出器素子の不感時間が検出され、ＬｉＤＡＲシステムの送信モードにおいて、時間的にすぐに、または直接に連続して送信されるべき、または送信された１次光の送信パルスの最小時間間隔が、不感時間に少なくともほぼ対応し、特に少なくともわずかに不感時間を超えるように決定および／または定められることによって達成される。対応した不感時間が発生するＳＰＡＤベースの検出器素子の特性に基づいて、検出事象の後に不感時間を単に待つことにより、有利には入射光子の検出確率が増大する。したがって、送信される送信パルスの時間間隔をそれぞれに選択し、これに対応した受信パルスの時間間隔が生じることにより、入射する受信パルスの２次光を検出する確率が増大する。

引用形式請求項は、本発明の好ましい実施形態を示す。

特に簡単な条件は、本発明の有利な発展形態による動作方法において、時間的にすぐに、または直接に連続的に送信されるべき、または送信された１次光の送信パルスの最小時間間隔が一定の値を有する場合に生じる。

時間的にすぐに、または直ちに連続して送信されるべき、または送信された１次光の送信パルスの最小時間間隔が、ＳＰＡＤベースの検出器素子の不感時間に対して次の関係（Ｉ）
ｔｔｏｔ＜ｔｍｉｎ≦（１＋ｘ）・ｔｔｏｔ （Ｉ）
を満たす場合に、特に適切な条件が、本発明による動作方法において生じ、
この場合、ｔｔｏｔは、ＳＰＡＤベースの検出器素子の不感時間を表し、ｔｍｉｎは、時間的にすぐに、または直接に連続する１次光の送信パルスの最小時間間隔を表し、ｘは、少なくとも一時的に、一定の正の値、特にゼロとは異なる値を表す。

この場合、値ｘは、ｘ≦０．３の関係、好ましくはｘ≦０．２の関係、より好ましくはｘ≦０．１の関係、特にｘ＝０．１の関係を満たすことができる。

最小時間間隔ｔｍｉｎがｔｍｉｎ＝１．１・ｔｔｏｔの関係を満たす状況が特に重要である。

本発明による動作方法の一実施形態において、ＳＰＡＤベースの検出器素子の不感時間が、測定方法によって、特に時間的に繰り返して、および／または機械学習の方法に関連して検出される場合には、特に高い柔軟性が生じる。このような手段により、センサの交換、劣化プロセス、および／または、検出器素子における異なる有効不感時間をもたらすこともある動作条件の変化が、ユーザによる介入を必要とすることなしに、考慮される。

これに対して代替的または付加的に、ＳＰＡＤベースの検出器素子の不感時間が、特に基礎をなすＬｉＤＡＲシステムの通常動作時に繰り返し検出されるようにしてもよい。これは、特に、ＬｉＤＡＲシステムの動作時に、基礎をなすＳＰＡＤベースの検出器素子において検出特性に変化が生じたかどうかをチェックし、必要に応じてこれらの変化を考慮に入れることができることを意味する。

さらに、本発明は、本発明による動作方法の実施形態を実行し、開始し、制御し、および／または本発明による動作方法で使用するように構成された、ＬｉＤＡＲシステムのための制御ユニットに関する。

さらに、本発明は、視野自体を光学的に検出するためのＬｉＤＡＲシステムも提供する。提案されたＬｉＤＡＲシステムは、本発明による動作方法を実施するように、または本発明によるこのような動作方法で使用されるように構成されている。特に、本発明によるＬｉＤＡＲシステムは、動作装置または車両に関連して使用されるように構成されている。

本発明によるＬｉＤＡＲシステムは、特に、１次光を供給し、視野内へ送信するための送信光学系、視野から２次光を受信するための受信光学系であって、少なくとも１つのＳＰＡＤベースの検出器素子を介して２次光を検出可能な検出装置を備える受信光学系、および／または、特にＳＰＡＤベースの検出器素子の不感時間に基づいて、送信光学系および／または受信光学系の動作を制御するための本発明により構成された制御ユニットを備える。

最後に、本発明は、視野を光学的に検出するための本発明により構成されたＬｉＤＡＲシステムを備える運転装置、特に車両を提供する。

次に、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

本発明によるＬｉＤＡＲシステムの一実施形態を示す概略的なブロック図である。 １次光の単一パルスに基づいてＳＰＡＤベースの検出器素子における不感時間と検出確率との関係を示す線図である。 １次光の単一パルスに基づいてＳＰＡＤベースの検出器素子における不感時間と検出確率との関係を示す線図である。 １次光の単一パルスの関連し合うシーケンスにおける光子束と平均検出率との関係を示す線図である。 １次光の単一パルスの関連し合うシーケンスにおける光子束と平均検出率との関係を示す線図である。

次に、図１〜図５を参照して本発明の実施の形態および背景技術を詳細に説明する。同じ、または同等の要素および構成要素、ならびに、同じ、または同等に作用する要素および構成要素には同じ符号を付す。これらの要素および構成要素の詳細な説明はその都度繰り返さない。

説明した特徴および他の特性は、本発明の要旨から逸脱することなく、任意の形式で互いに分離し、互いに組み合わせることができる。

図１は、本発明によるＬｉＤＡＲシステム１の実施形態をブロック図の形式で概略的に示す。

図１に示すように、パルスシーケンス符号化して動作するために適したＬｉＤＡＲシステム１は、制御および評価ユニット４０に加えて、ＬｉＤＡＲシステム１の動作の基礎をなす光学装置１０からなり、光学装置１０は、光源ユニット６５、例えば１つ以上の光源６５−１、送信光学系６０、受信光学系３０、および検出器アセンブリ２０を有する。ＬｉＤＡＲシステム１の動作の制御およびＬｉＤＡＲシステム１によって受信された信号の評価は、制御および評価ユニット４０によって行われる。

制御ライン４２を介した制御および評価ユニット４０による動作、制御および開始により、光源ユニット６５は、「１次光」とも呼ぶ１次的な光５７の生成および出力を引き起こす。１次光５７は、用途に応じてビーム整形光学系６６によって形成され、次に、送信側を走査する偏光光学系６２によって、物体５２が含まれた視野５０内に送信される。

本発明の焦点は、光源ユニット６５、および例えばパルス式のレーザ源の形式のそれぞれの光源６５−１のパルス動作にある。

視野５０および物体５２から反射された光は、２次的な光または２次光５８とも呼ばれ、受信光学系３０で対物レンズ３４によって受信され、必要に応じて、組み込まれている２次光学系３５によってさらに処理され、次いで、１つまたは複数のセンサ素子または検出器素子２２を有する検出器アレイ２０に伝送される。検出器装置２０のセンサ素子２２は、２次光５８を表す信号を生成し、この信号は、制御および測定ライン４１によって制御および評価ユニット４０に伝送される。

本発明によれば、検出器装置２０に設けられている検出器素子２２は、ＳＰＡＤ原理（ＳＰＡＤ：単一光子アバランシェダイオード）にしたがって動作する。

したがって、それぞれの検出器素子２２の基礎はアバランシェフォトダイオードである。アバランシェフォトダイオードは、単一の光子がピックアップされると既に飽和し、したがって、好ましくは、対応する事前回路、例えばガイガーモードで動作する。これらの状況に基づいて、本発明によれば、検出器素子２２のフォトダイオードの特性によって生じる不感時間ｔｔｏｔよりも長い所定期間の経過後に検出確率が増加することが本発明により利用されるが、この場合に、本発明の動作方法の動作が前提となる。

図１に示した制御および評価ユニット４０の実施形態は、バス１０１によって送信ユニット７０、受信ユニット８０および相関ユニット９０に接続された上位レベルの制御システム１００からなる。

制御システム１００およびユニット７０，８０，９０は、実際には、制御および評価ユニット４０内の別個の構成要素として構成することができる。

しかしながら、これらはＬｉＤＡＲシステム１として構成されてもよく、ＬｉＤＡＲシステム１では、制御および評価ユニット４０の１つ以上構成要素が組み合わされ、統合されて構成されており、したがって、図１の描写は、原則として既存の構成要素を描写するために用いられているにすぎないが、これは、必ずしも具体的なアーキテクチャを反映するものではなく、図１の描写から逸脱してもよい。

本発明によれば、ＬｉＤＡＲシステムの動作における焦点は、パルス原理にあり、パルス原理では、視野５０は、光源ユニット６５のパルス動作時に１次光５７を有する光源６５−１によって照明され、検査される。

本発明によれば、正確な検出を可能にするために、一方では、ＬｉＤＡＲシステム１のＳＰＡＤベースの検出器素子２２の不感時間ｔｔｏｔが検出され、送信モードにおいて考慮され、この場合、時間的にすぐに、または直接に連続して送信される１次光５７の送信パルス５７−１，．．．，５７−４（以下に詳細に説明し、他の図面に示す）の最小時間間隔ｔｍｉｎが測定され、最小時間間隔ｔｍｉｎは、既に詳細に上述したように、不感時間ｔｔｏｔに少なくともほぼ対応し、少なくともわずかに超えるように定められている。

受信光学系３０の側の１次光５２の送信パルス５７−１，．．．，５７−４を有するパルスシーケンスの検出確率を増大するための別の手段として、制御ユニット４０内の検出器装置２０に関連して、相関ユニット９０によって送信ユニット７０と受信ユニット８０との間の信号相関が、例えば整合フィルタまたは最適フィルタの範囲で生成される。

制御ユニット４０と光源ユニット６５との間の結合は、制御ライン４２を介して行われる。制御ユニット４０と検出器装置２０との間の結合は、制御ライン４１を介して行われる。

図２および図３は、線図１２０および１３０の形式で、１次光５７の単一パルス５７−１に基づいて、ＳＰＡＤベースの検出器素子２２における不感時間ｔｔｏｔと検出率Ｒ（Φ）または検出確率Ｐ（Φ）との間の関係を、光子束Φに依存して示す。

横軸１２１および１３１には、それぞれ時間ｔが記入されている。

図２の線図１２０の縦座標１２２は、１次光５７の単一パルス５７−１を表すトラック１２３の光子束Φと、この単一パルス５７−１に対するトラック１２４における検出率Ｒ（Φ）とを示す。測定単位は相対単位である。トラック１２４の検出率Ｒ（Φ）は、トラック１２３の光子束Φに実質的に追従していることが分かる。

図３の線図１３０の縦座標１３２は、ＳＰＡＤベースの検出器素子２２について１に標準化された検出確率Ｐ（Φ）を示す。

検出確率Ｐ（Φ）は、図３の線図１３０に記入されたトラック１３３の波形を示しており、時点ｔ０＝０における励起の開始時に光子束が連続的である場合、検出確率Ρ（Φ）は、最初はｔ＝０において最大で１であり、連続的な励起の波形では所定の値、この場合には約０．６に落ち着く。時点ｔにおいて、単一パルス５７−１、すなわち、増大した光子束Φによる励起が起こる。パルス５７−１によって増大した光子束に基づいて、検出確率Ρ（Φ）が短時間にわたって高まった後、パルス５７−１は最初に減少し、その後、不感時間ｔｔｏｔの経過後に時点ｔ＋ｔｔｏｔで、増大した値、すなわち線図１３０の円１３５により明示した範囲でピークを示す。

図４および図５は、１次光５７の複数の単一パルス５７−１，．．．，５７−４のパルスシーケンスに基づいて、光子束Φに依存したＳＰＡＤベースの検出器素子２２における不感時間ｔｔｏｔと検出率Ｒ（Φ）または検出確率Ρ（Φ）との間の関係を線図１４０および１５０の形式で示す。

横座標１４１および１４１には、それぞれ時間ｔが記入されている。

図４の線図１４０の縦座標１４２は、トラック１４３の光子束Φを示し、トラック１４３は、１次光５７の単一パルス５７−１，．．．，５７−４を有するパルスシーケンスと、このパルスシーケンスに対するトラック１４４における検出率Ｒ（Φ）とを表す。測定単位は相対単位である。トラック１４４の検出率Ｒ（Φ）は、トラック１４３の光子束Φに実質的に追従することが分かる。

図５に示す線図１５０では、ＳＰＡＤベースの検出器素子２２における検出確率Ｐ（Φ）のそれぞれの関係がトラック１５３に示されており、この場合にも、安定した状態では約０．６の検出確率をもたらす連続的な光子束が基礎をなし、時点ｔ＝ｔ０＋５０ｎｓで付加的な単一パルス５７−１，．．．，５７−４による励起が行われる。鉛直方向および下向きの矢印でマークした時点では、ＳＰＡＤベースの検出器素子２２の不感時間ｔｔｏｔに対応する時間間隔を有する局所的な最大値が検出確率Ｐ（Φ）のためのトラック１５３において再度見られる。

したがって、図４に示す１次光５７の単一パルス５７−１，．．．，５７−４のパルスシーケンスによる励起においては、パルスシーケンスの単一パルス５７−１，．．．，５７−４の間の時間間隔は、ＳＰＡＤベースの検出器要素２２の不感時間ｔｔｏｔに対応するように選択することができ、これにより、本発明によれば、有利には、これらの時点において増大した検出確率Ｐ（Φ）が使用され、対応して増大した検出率Ｒ（Φ）がもたらされる。

このことについてのさらなる詳細を以下に説明し、本発明のこれらの、および他の特徴ならびに特性を以下の説明に基づいてさらに明らかにする。

ＬｉＤＡＲシステムでは、単一パルスの代わりに、ランダムまたは擬似ランダムに符号化された光パルスのシーケンスを１次光５７として送信することは、それ自体知られている。

受信光学系３０の受信機２０における検出のために、受信されたパルスシーケンスは、例えば、最適フィルタまたは整合フィルタを使用して、送信されたパルスシーケンスと相関される。これは、センサが理想的には自己送信パルスシーケンスに対してのみ感度があり、他のシステムのパルスに対しては感度がないので、並列して動作している他のＬｉＤＡＲシステム１に対する干渉耐性が改善されるというプラスの効果を有する。

眼の安全基準ではなく、既存のレーザ６５−１またはレーザ駆動回路が送信出力の制限要因である場合には、許容されるエネルギーがいくつかのパルスに分配されるという別の利点が得られる。

本発明の課題は、検出器素子２２として単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）が使用される場合に、符号化されたマルチパルスＬｉＤＡＲシステムの利点を増大することである。

検出素子２２としてのこれらの検出ダイオードの特殊な特性に基づいて、パルスシーケンスを対応して正しく選択した場合には、パルスシーケンス内のパルス５７−１，．．．，５７−４の検出確率Ｐ（Φ）を増大させることができる。シーケンス内のパルスの時間間隔ｔｍｉｎは、基礎をなすＳＰＡＤの不感時間ｔｔｏｔから有利な方法で導かれ、したがって、例えばパルス間隔は、1倍〜１．１倍の不感時間ｔｔｏｔの範囲にあり、すなわち、１．０×ｔｔｏｔ≦ｔｍｉｎ≦１．１×不感時間が適用される。

本発明の核心は、送信された１次光５７のパルスシーケンス内のパルス５７−１，．．．，５７−４間の最小時間間隔ｔｍｉｎを、検出器または検出器構成要素２２として使用されるＳＰＡＤの不感時間ｔｔｏｔの関数とし、特に導くことである。このようにして、パルスシーケンスの検出確率Ｐ（Φ）、ひいては検出率Ｒ（Φ）が増大される。

システム１は、典型的なパルス式のＬｉＤＡＲセンサとして構成されており、検出器装置２０の検出器素子２２としてＳＰＡＤが使用されるという特徴を有する。ＳＰＡＤをガイガーモードで動作させることにより、光子の検出には、ＳＰＡＤの幾何学配置および画素回路によって定義される既知の不感時間ｔｔｏｔが続く。

図２は、線図１２０の形式で、トラック１２３の任意の入力光子束Φ（同様に線図１２０に示す）に対するセンサ素子２２としてのＳＰＡＤのトラック１２４における平均計数率Ｒ（Φ）を示している。計数率および光子束Φのための２つのトラック１２３，１２４の間のギャップは、ＳＰＡＤ２２の不感時間ｔｔｏｔに起因する。なぜならば、不感時間ｔｔｏｔに基づいて任意に高い光子率を得ることが可能ではないからである。

図３は、時間の関数として仮定される光子束Φについて、ＳＰＡＤ２２が光子検出の準備ができている確率Ｐ（Φ）をトラック１３３として示している。

この例では、ＳＰＡＤ２２は、時点ｔ０＝０において光子束Φによって始動される。ここで、準備が整う確率は、最初は１に等しい。その後、光子の所与の一定の直流束Φに対する確率Ｐ（Φ）は、光子の輝度パルスが時点ｔ＝５０ｎｓで受信されるまで、約０．６に落ち着く。

この瞬間には光子率が高いことに基づいて、ＳＰＡＤ検出の確率Ｐ（Φ）が高くなり、その後の最後には準備確率が低くなる。このことから、パルスの瞬間に検出の確率が高いことに基づいて、不感時間ｔｔｏｔの準備確率は、後の安定した状態と比較してより高いと推論することができる。これにより、検出確率Ｐ（Φ）のトラック１３３でオーバーシュートが生じる。これは、円１３５内の強調した範囲によって示されている。

本発明は、まさに検出確率Ｐ（Φ）がこのように高くなりすぎることを有利に利用しており、１次光５７の送信パルス５７−１，．．．，５７−４を時間的に適切に調整して送信することによって、準備確率Ｐ（Φ）が高くなりすぎる時間範囲において、シーケンス内の次のパルス５７−１，．．．，５７−４が受信されるように、パルスシーケンスが時間的に、特に正確に調整される。

図４は、一例として、トラック１４３におけるパルスシーケンスを示し、この場合、バイナリの値シーケンス１，１，１，０，１によって示す。

パルス５７−１，．．．，５７−４は、上述の効果に基づいて、２番目および３番目の箇所でより高い振幅を有することが分かる。シーケンスの繰返しの状況が示されている。センサ２２は、使用時の測定毎にこのシーケンスを、例えば約１０〜５００回の繰返しによって頻繁に繰り返し、したがって、このような効果は、全体的な検出確率に大きく寄与することができる。

同様に、ＳＰＡＤ２２に関連して、バックグラウンド光抑制のための他の公知の回路技術、例えば、マイクロピクセルおよびコンカレント検出を使用することもできる。

本発明によるＬｉＤＡＲの概念は、ＳＰＡＤベースの検出器装置２０を有する、パルス式に動作する全てのＬｉＤＡＲシステム１において使用することができる。

Claims (12)

1. パルスシーケンス符号化して動作可能なＳＰＡＤベースの検出器素子（２２）によって形成されたＬｉＤＡＲシステム（１）の動作方法において、
   ＳＰＡＤベースの検出器素子（２２）の不感時間（ｔｔｏｔ）を検出し、
   １次光（５７）の送信パルス（５７−１，．．．，５７−４）の最小時間間隔（ｔｍｉｎ）を、わずかに不感時間（ｔｔｏｔ）を超えるように決定および／または定める動作方法において、
   前記ＳＰＡＤベースの検出器素子（２２）の不感時間（ｔｔｏｔ）を、前記ＬｉＤＡＲシステム（１）の通常動作時に、繰り返し検出することを特徴とする、
   動作方法。
2. 請求項１に記載の動作方法において、
   前記１次光（５７）の送信パルス（５７−１，．．．，５７−４）の最小時間間隔（ｔｍｉｎ）が一定の値を有する動作方法。
3. 請求項１または２に記載の動作方法において、
   前記１次光（５７）の送信パルス（５７−１，．．．，５７−４）の最小時間間隔（ｔｍｉｎ）が、前記ＳＰＡＤベースの検出器素子（２２）の不感時間（ｔｔｏｔ）に対して次の関係（Ｉ）
   ｔｔｏｔ＜ｔｍｉｎ≦（１＋ｘ）・ｔｔｏｔ （Ｉ）
   を満たし、
   ｔｔｏｔが、前記ＳＰＡＤベースの検出器素子（２２）の不感時間を表し、ｔｍｉｎが、１次光（５７）の送信パルス（５７−１，．．．，５７−４）の最小時間間隔を表し、ｘが、一定の正の値を表す動作方法。
4. 請求項３に記載の動作方法において、 値ｘがｘ≦０．３の関係を満たす動作方法。
5. 請求項４に記載の動作方法において、値ｘがｘ≦０．２の関係を満たす動作方法。
6. 請求項５に記載の動作方法において、値ｘがｘ≦０．１の関係を満たす動作方法。
7. 請求項６に記載の動作方法において、値ｘがｘ＝０．１の関係を満たす動作方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の動作方法において、
   前記ＳＰＡＤベースの検出器素子（２２）の不感時間（ｔｔｏｔ）を、機械学習の方法に関連して検出する動作方法。
9. ＬｉＤＡＲシステム（１）のための制御ユニット（４０）において、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の動作方法を実施するように構成されている制御ユニット（４０）。
10. 視野（５０）をパルスシーケンス符号化して光学的に検出するためのＬｉＤＡＲシステム（１）において、
    １次光（５７）を供給し、視野（５０）内へ送信するための送信光学系（６０）と、
    視野（５０）から２次光（５８）を受信するための受信光学系（３０）であって、少なくとも１つのＳＰＡＤベースの検出器素子（２２）を介して２次光（５８）を検出可能な検出装置（２０）を備える受信光学系（３０）と、
    ＳＰＡＤベースの検出器素子（２２）の不感時間（ｔｔｏｔ）に基づいて、送信光学系（６０）および／または受信光学系（３０）の動作を制御するための請求項９に記載の制御ユニット（４０）を備えるＬｉＤＡＲシステム（１）。
11. 視野（５０）を光学的に検出するための請求項１０に記載のＬｉＤＡＲシステム（１）を備える運転装置。
12. 視野（５０）を光学的に検出するための請求項１０に記載のＬｉＤＡＲシステム（１）を備える車両。

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