KR20220016229A - 판독 장치 및 라이다 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초점 평면 어레이 배치에서 라이다 측정 장치(10)의 라이다 송신 유닛(18) 및 라이다 수신 유닛(16) 사이의 광 펄스의 신호 전파 시간을 결정하기 위한 판독 장치(20)에 관한 것으로, 라이다 수신 유닛의 복수의 센서 소자(36a-36j)로부터 검출을 수신하기 위한 입력 인터페이스(22)-상기 센서 소자는 라이다 송신 유닛의 송신 소자(32)와 쌍을 이루는 매크로셀(34)에 배치됨-; 복수의 센서 소자 각각에 대한 개별적인 가중치 파라미터를 결정하기 위한 가중치 유닛(24)-상기 가중치 파라미터는 센서 소자의 신호 대 잡음비에 기초함-; 검출의 검출 시간에 대한 검출의 할당으로 히스토그램을 생성하기 위한 합산 유닛(26)-상기 합산 유닛은 개별 가중치 파라미터에 기초하여 검출에 가중치를 부여하도록 구성됨-; 생성된 히스토그램에 기초하여 신호 전파 시간을 결정하기 위한 전파 시간 유닛(28); 및 신호 전파 시간을 출력하기 위한 출력 유닛(30)을 포함한다. 또한, 본 발명은 신호 전파 시간을 결정하기 위한 방법 및 차량 주변에서 물체(12)를 감지하기 위한 초점 평면 어레이 배치의 라이다 측정 장치(10)에 관한 것이다.

Description

판독 장치 및 라이다 측정 장치
본 발명은 초점 평면 어레이 배치에서 라이다 측정 장치의 라이다 송신 유닛과 라이다 수신 유닛 사이의 광 펄스의 신호 전파 시간을 결정하기 위한 판독 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 라이다 측정 장치와 신호 전파 시간을 결정하는 방법에 관한 것이다.
현대의 차량(자동차, 운송기, 트럭, 오토바이, 무인 운송 시스템 등)은 운전자 또는 운영자에게 정보를 제공하거나, 그리고/또는 부분적으로 또는 완전히 자동화된 방식으로 차량의 개별 기능을 제어하는 복수의 시스템을 포함한다. 차량의 주변 환경과 다른 도로 사용자(해당되는 경우)가 센서에 의해 검출된다. 검출된 데이터를 기반으로 차량 환경의 모델을 생성할 수 있고, 이 차량 환경의 변화에 대한 대응을 수행할 수 있다. 자율 및 부분 자율 주행 차량 분야의 발전을 통해, 운전자 지원 시스템(Advance Driver Assistance System, ADAS) 및 자율 운행 운송 시스템의 영향력과 활동 범위가 점점 더 커지고 있다. 더욱 정밀해진 센서의 개발을 통해, 전적으로 또는 부분적으로 운전자의 개입 없이 환경을 감지하고 차량의 개별 기능을 제어할 수 있다.
여기서 환경 감지를 위한 중요한 센서 원리는 라이다(lidar) 기술(광 감지 및 거리 측정)이다. 라이다 센서는 광 펄스의 송신과 반사광의 검출을 기반으로 한다. 전파 시간 측정에 의해 반사 지점까지의 거리를 계산할 수 있다. 수신된 반사에 대한 평가를 통해 목적지의 감지가 이루어질 수 있다. 해당 센서의 기술적 구현과 관련하여, 일반적으로 마이크로 미러(micro-mirrors)를 기반으로 작동하는 스캐닝 시스템(scanning systems)과 복수의 송신 및 수신 소자가 서로 정적으로 인접해 배치(특히, 소위 초점 평면 어레이 배치)되는 비 스캐닝 시스템(non-scanning systems)이 구별된다.
이와 관련하여, WO 2017/081294에는 광학적 거리 측정을 위한 방법 및 장치가 개시되어 있다. 측정 펄스의 송신을 위한 송신 매트릭스 및 측정 펄스의 수신을 위한 수신 매트릭스의 사용이 개시되어 있다. 측정 펄스의 송신에서 송신 매트릭스의 송신 소자의 서브 세트(subset)가 활성화된다.
초점 평면 어레이 배치에서의 이러한 라이다 측정 장치에 의해 물체를 감지하는 데 있어서의 문제는 제한된 송신 전력(power)에 있다. 제한된 칩의 크기와 칩의 가열로 인해 라이다 송신 유닛의 송신 소자를 통해 방출되는 전력이 제한된다. 전력의 증가는 제조 노력의 증가 및 높은 비용으로 이어진다. 이는, 특히 라이다 센서의 장거리 범위에서, 물체 감지에 있어서의 범위 제한 및 신뢰성 제한을 야기한다.
이하에서, 본 발명은 라이다 측정 장치의 견지에서 물체를 감지하기 위한 접근 방식을 제공하는 것을 과제로 설정한다. 특히, 일관된 제조 노력으로 물체 감지의 범위 및/또는 신뢰성이 증가되어야 한다. 합리적인 비용으로 실현될 수 있고 에너지 효율적인 라이다 센서가 만들어져야 한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면은 초점 평면 어레이 배치에서 라이다 측정 장치의 라이다 송신 유닛과 라이다 수신 유닛 사이의 광 펄스의 신호 전파 시간을 결정하기 위한 판독 장치에 관한 것으로, 다음을 포함한다:
라이다 수신 유닛의 복수의 센서 소자로부터 검출을 수신하기 위한 입력 인터페이스로서, 상기 센서 배치는 라이다 송신 유닛의 송신 소자와 쌍을 이루는 매크로셀(macro cell)에 배치됨;
복수의 센서 소자 각각에 대한 개별 가중치 파라미터(weighting parameter)를 결정하기 위한 가중치 유닛으로서, 상기 가중치 파라미터는 센서 소자의 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)에 기초함;
검출의 검출 시간에 대한 검출의 할당으로 히스토그램을 생성하기 위한 합산 유닛으로서, 상기 합산 유닛은 개별 가중치 파라미터에 기초하여 검출에 가중치를 부여하도록 구성됨;
생성된 히스토그램에 기초하여 신호 전파 시간을 결정하기 위한 전파 시간 유닛; 및
신호 전파 시간을 출력하기 위한 출력 유닛.
다른 측면에서, 본 발명은 차량 환경에서 물체를 감지하기 위한 초점 평면 어레이 배치의 라이다 측정 장치에 관한 것으로, 다음을 포함한다.
광 펄스를 송신하기 위한 복수의 송신 소자를 갖는 라이다 송신 유닛과 광 펄스를 수신하기 위한 복수의 센서 소자를 갖는 라이다 수신 유닛으로서, 상기 송신 소자 및 센서 소자는 차량의 수평면에 평행하게 이어지는 라인으로 배치됨; 및
앞서 설명한 판독 장치.
본 발명의 또 다른 측면은, 판독 장치에 따라 구성된 방법, 프로그램 코드가 컴퓨터 상에서 실행될 때 상기 방법의 단계들을 수행하기 위한 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램 제품 및 컴퓨터에서 실행될 때 여기에서 설명된 방법의 실행을 가져오는 컴퓨터 프로그램이 저장된 저장 매체에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 종속항에 기재되어 있다. 위에서 언급된 특징과 아래에서 추가로 설명될 특징은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 각각 지시된 조합으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 다른 조합 또는 단독으로 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 특히, 판독 장치, 라이다 측정 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램 제품은 종속항에서 판독 장치 또는 라이다 측정 장치 각각에 대해 설명된 실시예에 따라 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 라이다 수신 유닛의 개별 센서 소자의 검출을 통합할 때, 그 중 몇몇은 매크로셀에서 라이다 송신 유닛의 송신 소자에 할당될 때 가중치가 부여된다. 여기서, 가중치는 개별 센서 소자의 신호 대 잡음비를 기반으로 한다. 특히, 신호 대 잡음비가 높은 센서 소자는 다른 센서 소자보다 높은 가중치가 부여된다. 이와 관련하여, 가중치는 개별 센서 소자가 수신하는 전력의 양에 따라 선택된다. 본 발명에 따른 접근 방식은, 여러 안테나로 수신하기 위한 통신 기술에서 알려진 바와 같은, 최대 비율 결합 접근 방식(maximum ratio combining approach)에 해당한다. 라이다 시스템에는 최대 비율 결합 방법이 적용된다. 개별 센서 소자의 신호의 가중치는 여기에서, 예를 들어 신호 레벨의 제곱평균 제곱근(root mean square, RMS)에 비례하고 및/또는 신호의 잡음 성분에 반비례하여 선택될 수 있다. 가중치 인자(weighting factor)는 각 수신 경로에 대해 개별적으로 결정되므로, 각 센서 소자에 대해 개별적으로 결정된다.
송신 소자에 할당된 모든 센서 소자를 동일한 방식으로 고려했던 이전 접근 방식에 비해, 측정 정확도를 향상시킬 수 있다. 물체 감지에 있어서, 더 큰 범위 또는 더 큰 신뢰성이 생긴다. 개별 센서 소자가 완전히 꺼지는 접근 방식과 비교하여, 각 센서 소자의 신호 대 잡음비의 함수로 가중치 파라미터를 선택하면 검출이 향상된다. 전체 신호를 개선하기 위해, 수신 상태가 좋지 않은 수신 경로도 사용된다. 특정 상황에서, 활성 센서 소자를 선택하는 방법은 주변 광이 강한 경우에 최적이 아니다. 본 발명에 따르면, 개선된 물체의 검출이 달성된다.
바람직한 실시예에서, 가중치 유닛은 매크로셀 상의 스폿 위치(spot position)의 교정 측정에 기초하여 개별 가중치 파라미터를 결정하도록 구성된다. 센서 소자는 스폿 위치의 중심점에서 멀어질수록 더 낮은 가중치를 받는다. 바람직하게는, 스폿 위치 밖의 센서 소자는 0의 가중치를 받는다. 여기서 교정 측정은 특히 라이다 측정 장치의 사용 및/또는 생산 상의 교정에 해당한다. 제조 공차 및 재료 편차에 의해 라이다 수신 장치 또는 매크로셀의 복수의 센서 소자에 대한 스폿 위치(송신 소자의 표시 위치)가 변한다. 이러한 환경은 일반적으로 매크로셀이 스폿 위치보다 크게 구성된다는 점에서 고려된다. 교정 측정에서 스폿 위치를 측정할 수 있으며, 이러한 교정을 기초로 개별 가중치 파라미터를 설정할 수 있다. 따라서, 개별 가중치 파라미터는 더 이상 전파 시간으로 변경되지 않고 오히려 라이다 측정 장치에 대해 미리 결정된다. 개별 가중치 파라미터를 결정하기 위해 효율적으로 구현될 수 있는 방법이 결과로 나온다.
바람직한 실시예에서, 가중치 유닛은 신호 전파 시간이 변경되지 않은 센서 소자의 순차적인 개별 교정 판독에 기초하여 개별 가중치 파라미터를 결정하도록 구성된다. 교정 판독에서 검출 횟수가 많은 센서 소자는 더 높은 가중치를 받는다. 바람직하게는, 교정 판독에서 임계값 미만의 검출 수를 갖는 센서 소자는 0의 가중치를 받는다. 이와 관련하여, 교정 판독은 일정한 신호 전파 시간 또는 스폿 위치에 따른 연속적인 개별 센서 소자의 활성화에 해당한다. 각 센서 소자에 대해, 어떤 신호 성분을 수신할 수 있는지에 대하여 개별적으로 검사가 수행된다. 사용 전에 개별 가중치 파라미터를 결정하기 위하여, 효율적으로 실현될 수 있는 방법이 생성된다.
바람직한 실시예에서, 가중치 유닛은 센서 소자의 신호 잡음을 나타내는 센서 소자의 개별 잡음 파라미터에 기초하여 개별 가중치 파라미터를 결정하도록 구성된다. 바람직하게는, 가중치 유닛은 이전의 전파 시간 측정 및/또는 이전의 주변 광 측정에 기초하여 개별 잡음 파라미터를 결정하도록 구성된다. 잡음은 각 센서 소자에 대해 별도로 결정된다. 이로써 제조상의 차이를 보상할 수 있다. 예를 들어, 주변 광 측정은 규칙적인 간격으로 수행될 수 있고, 여기서 주변 광은 모든 센서 소자에 대해 동일하다고 가정한다. 개별 센서 소자의 신호에 따르면, 주변 광이 센서 소자에 개별적으로 미치는 영향을 결정할 수 있다. 잡음 성분을 결정할 수 있는 효율적인 가능성이 생긴다.
바람직한 실시예에서, 가중치 유닛은 정수 가중치 인자(whole-numbered weighting factors)를 갖는 개별 가중치 파라미터를 결정하도록 구성된다. 합산 유닛은 정수 가중치 인자에 따른 검출의 다중 카운팅에 기초하여 히스토그램을 생성하도록 구성된다. 정수 가중치 인자는 바람직하게는 2의 거듭제곱수이다. 이로써, 효율적인 구현 가능성이 달성된다. 정수 가중치 파라미터는 비교적 적은 하드웨어 비용으로 가중치를 부여하도록 할 수 있다. 특히 유리하게는, 2의 거듭제곱수가 사용된다. 비용 효율적인 구현 가능성이 생긴다.
바람직한 실시예에서, 가중치 유닛은 정수 카운팅 인자를 갖는 개별 가중치 파라미터의 결정을 위해 구성된다. 합산 유닛은, 센서 소자의 각각의 카운팅 인자의 배수에 대응하는 검출의 배타적 카운팅에 기초하여 히스토그램을 생성하고, 다른 검출을 거부하도록 구성된다. 정수 카운팅 인자는 바람직하게는 2의 거듭제곱수이다. 마찬가지로, 하드웨어에서 가중치 부여 방식의 효율적인 구현 가능성이 있다. 가중치는 신호 대 잡음비가 낮은 개별 센서 소자의 이벤트를 거부함으로써 이루어진다. 이러한 센서 소자의 검출 또는 이벤트가 거부된다. 여기에서 간단한 카운터로 거부를 실현할 수 있다. 효율적인 구현성과 고성능이 달성된다.
바람직한 실시예에서, 가중치 유닛은 각 센서 소자에 대한 부분 히스토그램을 각각 생성하도록 구성된다. 가중치 유닛은 부분 히스토그램의 평가에 기초하여 개별 가중치 파라미터를 결정하도록 구성된다. 합산 유닛은 개별 가중치 파라미터로 가중된 부분 히스토그램의 합산에 기초하여 히스토그램을 생성하도록 구성된다. 각 센서 소자에 대해 개별 히스토그램이 생성된다. 가중치 인자는 잡음 레벨에 의해 결정될 수 있다. 부분 히스토그램은 가중 방식으로 추가될 수 있으며, 여기서 부분 히스토그램의 각 히스토그램 빈(bin)은 가중치 인자와 함께 전체 히스토그램에 추가된다. 개별 히스토그램을 계산하려면 비교적 많은 노력이 필요하다. 그러나 각 센서 소자에 대해 각각 최적화된 측정에 대한 후속 조치로 가중치 인자를 설정할 수 있다. 전파 시간에 대한 가중치 인자의 설정이 생성된다. 현재 조건에 대한 적응이 이루어진다.
각각의 가중치 인자는 바람직하게는 센서 소자의 모든 검출, 특히 모든 빈과 관련하여 동일한데, 이는 이것이 모든 검출과 관련된 대응 센서 소자의 개별 가중치 인자에 관한 것이기 때문이다. 부분 히스토그램의 개별 빈에는 개별 가중치 파라미터가 할당되지 않는다.
바람직한 실시예에서, 라이다 측정 장치는 시간 상관 단일 광자 계수(Time Correlated Single Photo Counting, TCSPC) 측정 방법을 수행하도록 구성된다. 바람직하게는, 라이다 측정 장치는 시간 상관 단일 광자 계수 측정 방법에 기초하여 작동된다. 개별 광자 이벤트가 카운트(검출)된다.
바람직한 실시예에서, 라이다 측정 장치는 차량의 범퍼 상의 영역에서 차량에 배치되도록 설계된다. 차량 앞이나 뒤에 있는 물체를 자유롭게 볼 수 있다. 차량 환경에서 우수한 물체 감지가 달성된다.
초점 평면 어레이 배치는 실질적으로 평면에 있는 센서 소자(또는 송신 소자)의 구성을 의미하는 것으로 이해된다. 라이다 수신 유닛은, 특히 대응하는 센서 소자를 갖는 마이크로 칩이다. 라이다 송신 소자도 마찬가지로, 특히 대응하는 송신 소자를 갖는 마이크로 칩이다. 수신 및 송신 유닛은 마이크로 칩에 함께 배치될 수 있다. 송신 및 센서 소자는, 예를 들어 매트릭스 형태의 칩에 각각 배열되고 칩의 영역에 걸쳐 분포된다. 하나 이상의 센서 소자가 송신 소자에 할당된다. 라이다 송신 유닛의 광 펄스는, 특히 레이저 광의 펄스를 의미하는 것으로 이해된다. 신호 전파 시간은, 특히 광 펄스가 라이다 송신 유닛에 의해 송신되고 라이다 측정 장치의 환경에 있는 물체에 대한 반사가 라이다 수신 유닛에 의해 수신되는 데에 필요한 시간을 나타낸다. 검출은, 특히 센서 소자에 대한 광자의 충돌을 의미한다. 신호 전파 시간은, 특히 생성된 히스토그램에서의 높은 지점 검출(high point detection)에 기초하여 결정될 수 있다. 차량의 환경은, 특히 차량 주변에서 차량으로부터 볼 수 있는 영역을 포함한다.
이하에서 첨부된 도면과 관련하여 선택된 일부 예시적인 실시예를 참조하여 본 발명이 더 자세히 서술되고 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 라이다 측정 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 판독 장치의 개략도이다.
도 3은 광 펄스의 송신을 위한 라이다 송신 유닛의 개략도이다.
도 4는 라이다 수신 유닛의 매크로셀의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 개략도이다.
차량(14)의 환경에서 물체(12)를 감지하기 위한 본 발명에 따른 라이다 측정 장치(10)가 도 1에 개략적으로 도시된다. 도시된 예시적인 실시예에서, 라이다 측정 장치(10)는 차량(14)에 통합된다. 차량(14)의 환경에 있는 물체(12)는, 예를 들어 다른 차량 또는 정지된 물체(교통 표지판, 집, 나무 등) 또는 다른 도로 사용자(보행자, 자전거 운전자 등)일 수 있다. 라이다 측정 장치(10)는 바람직하게는 차량(14)의 범퍼 영역에 장착되고, 특히 차량 전방에서 차량(14)의 환경을 평가할 수 있다. 예를 들어, 라이다 측정 장치(10)는 전면 범퍼에 통합될 수 있다.
본 발명에 따른 라이다 측정 장치(10)는 라이다 수신 유닛(16) 및 라이다 송신 유닛(18)을 포함한다. 또한, 라이다 측정 장치(10)는 라이다 측정 장치(10)의 시야를 조정하기 위한 판독 장치(20)를 포함한다.
바람직하게는, 라이다 수신 유닛(16)과 라이다 송신 유닛(17)은 모두 초점 평면 어레이 구조(focal plane array configuration)로 설계된다. 각각의 장치의 요소들은 대응하는 칩의 평면에 실질적으로 배치된다. 라이다 수신 유닛의 칩 또는 라이다 송신 유닛의 칩은 대응하는 광학계(송신 광학계 또는 수신 광학계)의 초점에 배치된다. 특히, 라이다 수신 유닛(16)의 센서 소자 또는 라이다 송신 유닛(18)의 송신 소자는 각각의 수신 또는 송신 광학계의 초점에 배치된다. 이러한 광학계는, 예를 들어 광학 렌즈 시스템에 의해 구성될 수 있다.
라이다 수신 유닛(16)의 센서 소자는 바람직하게는 단일 광자 애벌런치 다이오드(Single Photon Avalanche Diode, SPAD)로 구성된다. 라이다 송신 유닛(18)은 레이저 광 또는 레이저 펄스를 송신하기 위한 복수의 송신 소자를 포함한다. 송신 소자는 수직-공동 표면 방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)로 구성되는 것이 바람직하다. 라이다 송신 유닛(18)의 송신 소자는 송신 칩의 영역에 걸쳐 분포된다. 라이다 수신 유닛(16)의 센서 소자는 수신 칩의 영역에 걸쳐 분포된다.
송신 광학계는 송신 칩에 할당되고, 수신 광학계는 수신 칩에 할당된다. 광학계는 각 칩에 도달하는 공간 영역의 광을 나타낸다. 공간 영역은 물체(12)가 검사되거나 감지되는 라이다 측정 장치(10)의 시야 범위에 대응한다. 라이다 수신 유닛(16) 또는 라이다 송신 유닛(18)의 공간 영역은 실질적으로 동일하다. 송신 광학계는 공간 영역의 일부 영역을 나타내는 입체각(solid angle)에 대한 송신 소자를 나타낸다. 송신 소자는 이에 따라 레이저 광을 이 입체각으로 송신한다. 송신 소자는 전체 공간 영역을 공동으로 커버한다. 수신 광학계는 공간 영역의 일부 영역을 구성하는 입체각에 대한 센서 소자를 나타낸다. 모든 센서 소자의 수는 전체 공간 영역을 포함한다. 동일한 입체각과 관련되는 송신 소자 및 센서 소자는 서로 매핑되고, 그에 따라 서로 쌍을 이루거나 할당된다. 송신 소자의 레이저 광은 일반적으로 관련 센서 소자에 항상 주어진다. 바람직하게는, 여러 센서 소자가 송신 소자의 입체각 내에 배치된다.
공간 영역 내의 물체(12)를 결정하거나 검출하기 위해, 라이다 측정 장치(10)는 측정 프로세스를 수행한다. 이러한 측정 프로세스는 측정 시스템 및 해당 전자 장치의 구조적 설계에 따라 하나 이상의 측정 사이클을 포함한다. 바람직하게는, 판독 장치(20)에서 시간 상관 단일 광자 계수 방법이 사용된다. 여기서, 개별 충돌 광자는 특히 단일 광자 애벌런치 다이오드에 의해 검출되고 센서 소자의 활성화 시간(검출 시간)은 저장 소자에 저장된다. 검출 시간은 레이저 광이 송신되는 참조 시간과 관련이 있다. 차이로부터 레이저 광의 전파 시간이 확인될 수 있고, 이로부터 물체(12)의 거리가 결정될 수 있다.
라이다 수신 유닛(16)의 센서 소자는 한편으로는 레이저 광에 의해 그리고 다른 한편으로는 주변 복사에 의해 활성화될 수 있다. 물체(12)의 특정 거리에 있는 레이저 광은 항상 동시에 충돌하는 반면, 주변 복사는 임의의 시간에 센서 소자를 활성화하는 동일한 가능성을 제공한다. 측정, 특히 여러 측정 사이클의 측정을 여러 번 수행하면, 센서 소자의 활성화가 물체의 거리에 대한 레이저 광의 전파 시간에 해당하는 검출 시간에 합산된다. 이에 비해, 주변 복사를 통한 활성화는 측정 주기에 걸친 측정 동안 균일하게 분포된다. 측정은 레이저 광의 송신 및 후속 검출에 해당한다. 저장 소자에 저장된 측정 프로세스의 개별 측정 사이클 데이터는, 물체(12)의 거리를 추론하기 위해, 다중 결정된 검출 시간의 평가를 가능하게 한다.
센서 소자는 바람직하게는 시간-디지털 변환기(Time to Digital Converter, TDC)와 연결된다. 시간-디지털 변환기는 센서 소자가 활성화될 때 저장 소자에 저장된다. 이러한 저장 소자는, 예를 들어 단기 기억 또는 장기 기억으로 구성될 수 있다. 측정 프로세스의 경우, 시간-디지털 변환기는 센서 소자가 충돌 광자를 검출하는 시간으로 저장 소자를 채운다. 이는 저장 소자의 데이터를 기반으로 하는 히스토그램에 의해 시각적으로 나타낼 수 있다. 히스토그램에서 측정 사이클의 기간은 매우 짧은 시간 세그먼트(소위, 빈)로 나뉜다. 센서 소자가 활성화되면 시간-디지털 변환기는 빈 값을 1만큼 증가시킨다. 레이저 펄스의 전파 시간에 해당하는 빈이 채워지고, 따라서 검출 시간과 참조 시간의 차이가 발생한다.
도 2에는 광 펄스의 신호 전파 시간을 결정하기 위한 본 발명에 따른 판독 장치(20)가 개략적으로 도시된다. 판독 장치(20)는 입력 인터페이스(22), 가중치 유닛(24), 합산 유닛(26), 전파 시간 유닛(28) 및 출력 유닛(30)을 포함한다. 다양한 유닛 및 인터페이스는 소프트웨어 및/또는 하드웨어에서 개별적으로 각각 구현되거나 또는 조합된 방식으로 구현될 수 있다. 특히, 유닛은 라이다 측정 장치의 프로세서 상에 구현되는 소프트웨어로 구현될 수 있다.
라이다 수신 유닛의 여러 센서 소자의 검출은 입력 인터페이스(22)를 통해 수신된다. 특히, 여러 센서 소자를 갖는 매크로셀의 검출이 수신된다. 여기서 검출은, 특히 센서 소자에서 광자가 충돌하는 시간에 해당할 수 있다. 여기에서 검출은 한편으로는 등록된 주변 광(잡음)으로 인해, 다른 한편으로는 물체에 대한 라이다 송신 유닛의 반사된 광 펄스로 인해 발생한다.
각각의 개별 센서 소자에 대한 가중치 유닛(24)에서 개별 가중치 파라미터가 결정된다. 이 가중치 파라미터는 특히 매크로셀 또는 측정에 대한 히스토그램 생성에 있어서 이 센서 소자가 얼마나 집중적으로 고려되어야 하는지를 나타낸다. 가중치 유닛(24)은 전파 시간, 즉 라이다 측정 장치의 작동 중,에 개별 가중치 파라미터를 결정하기 위해 구성될 수 있으며, 또한 사용하기 전에 가중치 파라미터의 일회성 확인을 위해 구성될 수 있다.
기본적으로, 본 발명에 따르면, 송신 소자에 공동으로 할당된 여러 센서 소자에 대해 최대 비율 조합을 사용하는 것이 제안된다. 여기서 가중치 유닛(24)은 개별 가중치 파라미터를 결정하도록 구성되며, 이러한 가중치 파라미터는 개별 센서 소자의 신호 대 잡음비에 의존한다. 특히, 가중치는 신호 레벨의 제곱평균 제곱근(root mean square)에 비례하고 잡음 레벨에 반비례하여 사용될 수 있다. 가중치 유닛(24)에서 가중치 인자는 각각의 수신 경로에 대해, 즉 각 센서 소자에 대해 개별적으로 결정된다.
한편으로는, 가중치 파라미터를 결정하기 위하여, 교정 단계에서 매크로셀의 모든 센서 소자에 대해 원거리 필드(제곱근)의 신호 강도가 결정될 수 있다. 이를 위해, 공장 교정에서 스폿 위치 측정을 수행할 수 있다. 또한, 신호 대 잡음비를 각각 연속적으로 결정할 수 있도록 하기 위해 개별 센서 소자를 활성화하는 것이 가능하다. 기본적으로, 잡음 레벨은 주변 광에 의존하며, 예를 들어 레이저 펄스를 송신하기 전에 각각 결정될 수 있다. 스폿 원거리 필드 위치 내의 센서 소자는 가중치 방식으로 합산된다. 스폿 위치 밖의 센서 소자를 꺼질 수 있다.
합산 유닛(26)에서 검출의 검출 시간에 대한 검출의 할당으로 히스토그램이 생성된다. 센서 소자의 합산 또는 센서 소자 검출의 합산은 이벤트에 기초한다. 각 센서 소자는 광자 검출 시 이진 출력 신호를 생성한다. 충돌 시간이 결정되고 히스토그램에 기록된다. 히스토그램 생성 시, 이전에 결정된 개별 가중치 파라미터가 고려된다.
특히, 모든 검출이 공유 히스토그램에 직접 저장될 수 있다. 여기서 가중치는, 특히 정수 가중치 인자에 기초하여 발생할 수 있다. 높은 신호 대 잡음비를 가진 센서 소자의 검출은, 예를 들어 히스토그램의 해당 빈에서 4의 증분을 생성할 수 있다(가중치 인자 4). 신호 대 잡음비가 중간인 센서 소자에서의 검출은 히스토그램의 해당 빈에서 2의 증분을 생성할 수 있다(가중치 인자 2). 신호 대 잡음비가 낮은 센서 소자에서의 검출은, 예를 들어 히스토그램의 해당 빈에서 1의 증분을 생성할 수 있다(가중치 인자 1). 예를 들어, 스폿 위치 밖에 있는 센서 소자는 거부될 수 있다.
대안적으로, 가중치 부여는 낮은 신호 대 잡음비를 갖는 센서 소자의 검출을 거부함으로써 수행될 수 있다. 개별 검출의 거부는, 간단한 카운터를 사용하거나, 거부될 검출을 나타내는 카운팅 인자를 기반으로 하여 실현할 수 있다. 예를 들어, 신호 대 잡음비가 높은 센서 소자는 각 이벤트에서 히스토그램의 해당 빈의 증가를 활성화할 수 있다(카운팅 인자 1). 신호 대 잡음비가 중간인 센서 소자는, 예를 들어 2번의 검출 시마다 히스토그램의 해당 빈의 증가를 활성화할 수 있다(카운팅 인자 2). 신호 대 잡음비가 낮은 센서 소자는, 예를 들어 4번째 이벤트마다 히스토그램의 해당 빈에서 1의 증분을 생성할 수 있다(카운팅 인자 4).
정수 카운팅 인자 및 가중치 인자, 특히 2의 거듭제곱수의 사용은 하드웨어 측면에서 특히 유리하게 실현될 수 있다. 카운팅 인자를 사용하면 여기에서 훨씬 더 효율적으로 구현할 수 있지만, 신호 대 잡음비가 높은 센서 소자의 검출이 거부되고 고려되지 않기 때문에 성능이 저하될 수 있다.
마찬가지로, 각 센서 소자에 대해 별도로 생성된 복수의 부분 히스토그램을 추가하는 방식으로 히스토그램을 생성할 수 있다. 가중치 파라미터에 기초하여 히스토그램의 빈의 콘텐츠에 대한 가중치 부여가 수행될 수 있다.
전파 시간 유닛(28)에서는 생성된 히스토그램에 기초하여 신호 전파 시간을 결정한다. 이를 위해, 특히 히스토그램의 높은 지점(high point)을 검출할 수 있다. 높은 지점은 신호 강도가 가장 높은 시간에 대응하고, 따라서 물체에서 광 펄스가 반사되는 위치에 대응한다.
결정된 신호 전파 시간은 출력 유닛(30)을 통해 출력된다. 특히, 물체 위치 파악이 이루어질 수 있다.
도 3에는 라이다 송신 유닛(13)의 구조가 개략적으로 도시된다. 칩은 어레이(매트릭스)로 배치된 여러 송신 소자(32)를 포함한다. 예를 들어, 수천 개의 송신 소자를 사용할 수 있다. 송신 소자(32)는 바람직하게는 라인별로(line by line) 활성화된다. 더 명료하게 하기 위해, 오직 하나의 송신 소자(32)에만 참조 번호가 제공된다.
도시된 예시적인 실시예에서, 라인 0 … Ny-1은 각각 복수의 송신 소자 0 … Nx-1를 포함한다. 예를 들어, 100개의 라인(Ny = 100)과 라인당 128개의 송신 소자(Nx = 128)가 제공될 수 있다. 라인 사이의 라인 간격(A1)은 수 마이크로미터(예를 들어, 40μm) 영역에 있을 수 있다. 동일한 라인의 송신 소자(32) 사이의 소자 간격(A2)은 비슷한 크기로 놓일 수 있다.
도 4에는 총 10개의 센서 소자(36a-36j)를 갖는 매크로셀(34)이 개략적으로 도시된다. 또한, 스폿 위치(38), 즉 라이다 송신 유닛의 송신 소자에 대응하는 스폿의 위치가 개략적으로 도시된다. 여기서 스폿은, 일반적으로 적어도 대략 가우스 스폿 프로파일(gaussian spot profile)을 갖는다. 도 4의 예시에서, 스폿 위치(38)의 2개의 동심원에 의해 이 스폿 프로파일 내에서 바깥을 향해 신호 강도가 어떻게 감소하는지를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 스폿의 중심점은 센서 소자(36e)에 있고, 이에 따라 매크로셀(34)의 중심점 밖에 있다. 따라서, 센서 소자(36e)는 가장 높은 신호 성분을 가질 것이다. 본 발명에 따르면, 송신 소자(36a-36j)에 각각 할당된 개별 가중치 인자를 통해, 히스토그램의 생성에 있어서 이들 센서 소자에 얼마나 많은 가중치가 부여되는지가 설정된다. 도시된 예에서, 센서 소자(36g 및 36j)는 0의 가중치로 고려되고, 히스토그램의 확인에 포함되지 않는다고 생각할 수 있다. 센서 소자(36e)는 4배의 가중치가 부여될 수 있고, 센서 소자(36a, 36b 및 36)은 2배의 가중치가 부여될 수 있으며, 나머지 센서 소자는 1배의 가중치가 부여될 수 있다. 여기서, 도 4의 예시 및 위에서 나타내는 가중치는 예시로서 이해되어야 한다. 다른 수의 센서 소자가 매크로셀에 배치될 수 있고 다른 가중치가 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
도 5에는 본 발명에 따른 방법이 개략적으로 도시된다. 상기 방법은 검출을 수신하는 단계(S10), 개별 가중치 파라미터 각각을 결정하는 단계(S12), 히스토그램을 생성하는 단계(S14), 신호 전파 시간을 결정하는 단계(S16) 및 신호 전파 시간을 출력하는 단계(S18)를 포함한다. 상기 방법은, 예를 들어 라이다 측정 장치의 프로세서에서 실행되는 소프트웨어로 구현될 수 있다.
본 발명은 도면 및 묘사를 참조하여 포괄적으로 서술되고 설명되었다. 서술 및 설명은 예시로서 이해되어야 하며 제한적이지 않다. 본 발명은 개시된 실시예로 제한되지 않는다. 다른 실시예 또는 변형은 본 발명의 적용과 도면, 개시 내용 및 후술하는 청구범위의 정확한 분석으로 당업자에게 드러날 것이다.
청구범위에서 "포함하다" 및 "갖는다"는 단어는 추가 요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다. 부정관사 "a" 또는 "an"은 복수의 존재를 배제하지 않는다. 개별 소자 또는 개별 유닛은 청구범위에 명명된 여러 유닛의 기능을 수행할 수 있다. 소자, 유닛, 인터페이스, 장치 및 시스템은 부분적으로 또는 완전히 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 여러 다른 종속항에서 일부 조항의 단순한 명명은 이러한 조항의 조합이 마찬가지로 유리하게 사용될 수 없다는 취지로 이해되어서는 안 된다. 청구범위의 참조 번호는 제한적인 방식으로 이해되어서는 안 된다.
10: 라이다 측정 장치
12: 물체
14: 차량
16: 라이다 수신 유닛
18: 라이다 송신 유닛
20: 판독 장치
22: 입력 인터페이스
24: 가중치 유닛
26: 합산 유닛
28: 전파 시간 유닛
30: 출력 유닛
32: 송신 유닛
34: 매크로셀
36a~36j: 센서 소자
38: 스폿 위치

Claims (12)

  1. 초점 평면 어레이 배치에서 라이다 측정 장치(10)의 라이다 송신 유닛(18)과 라이다 수신 유닛(16) 사이의 광 펄스의 신호 전파 시간을 결정하기 위한 판독 장치(20)로서,
    상기 라이다 수신 유닛의 복수의 센서 소자(36a-36j)로부터의 검출을 수신하기 위한 입력 인터페이스(22)-상기 센서 소자는 상기 라이다 송신 유닛의 라이다 송신 소자(32)와 쌍을 이루는 매크로셀(34)에 배치됨-;
    상기 복수의 센서 소자 각각에 대한 개별 가중치 파라미터를 각각 결정하기 위한 가중치 유닛(24)-상기 가중치 파라미터는 상기 센서 소자의 신호 대 잡음비에 의존함-;
    상기 검출의 검출 시간에 대한 상기 검출의 할당으로 히스토그램을 생성하기 위한 합산 유닛(26)-상기 합산 유닛은 상기 개별 가중치 파라미터에 기초하여 상기 검출에 가중치를 부여하도록 구성됨-;
    상기 생성된 히스토그램에 기초하여 신호 전파 시간을 결정하기 위한 전파 시간 유닛(28); 및
    상기 신호 전파 시간을 출력하기 위한 출력 유닛(30)
    을 포함하는
    판독 장치(20).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가중치 유닛(24)은 상기 매크로셀(34) 상의 스폿 위치(38)의 교정 측정에 기초하여 상기 개별 가중치 파라미터를 결정하도록 구성되고,
    상기 스폿 위치의 중심점(M)으로부터 거리가 먼 센서 소자(36a-36j)는 더 작은 가중치를 받고, 바람직하게는 스폿 위치 밖의 센서 소자는 0의 가중치를 받는,
    판독 장치(20).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가중치 유닛(24)은 일정한 신호 전파 시간으로 상기 센서 소자(36a-36j)의 순차적인 개별 교정 판독에 기초하여 상기 개별 가중치 파라미터를 결정하도록 구성되고,
    상기 교정 판독에서 더 많은 수의 검출을 갖는 센서 소자(36a-36j)는 더 높은 가중치를 받고, 바람직하게는 교정 판독에서 임계값 미만의 검출 수를 갖는 센서 소자는 0의 가중치를 받는,
    판독 장치(20).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가중치 유닛(24)은 상기 센서 소자의 신호 잡음을 나타내는 상기 센서 소자의 개별 잡음 파라미터에 기초하여 상기 개별 가중치 파라미터를 결정하도록 구성되고,
    바람직하게는 이전의 신호 전파 시간 측정 및/또는 이전의 주변 광 측정에 기초하여 상기 개별 잡음 파라미터를 결정하도록 구성되는,
    판독 장치(20).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가중치 유닛(24)은 정수 가중치 인자로 상기 개별 가중치 파라미터를 결정하도록 구성되고,
    상기 합산 유닛(26)은 상기 정수 가중치 인자에 따른 검출의 다중 카운팅에 기초하여 상기 히스토그램을 생성하도록 구성되며,
    상기 정수 가중치 인자는 바람직하게는 2의 거듭제곱수인,
    판독 장치(20).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가중치 유닛(24)은 정수 카운팅 인자로 상기 개별 가중치 파라미터를 결정하도록 구성되고,
    상기 합산 유닛(26)은 상기 센서 소자의 개별 카운팅 인자의 배수에 대응하는 검출의 배타적 카운팅에 기초하여 상기 히스토그램을 생성하고, 다른 검출을 거부하도록 구성되며,
    상기 정수 카운팅 인자는 바람직하게는 2의 거듭제곱수인,
    판독 장치(20).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가중치 유닛(24)은 각 센서 소자에 대한 부분 히스토그램을 각각 생성하도록 구성되고,
    상기 가중치 유닛은 상기 부분 히스토그램의 평가에 기초하여 상기 개별 가중치 파라미터를 결정하도록 구성되며,
    상기 합산 유닛(26)은 상기 개별 가중치 파라미터로 가중된 상기 부분 히스토그램의 합산에 기초하여 상기 히스토그램을 생성하도록 구성되는,
    판독 장치(20).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 라이다 측정 장치(10)는 시간 상관 단일 광자 계수(TCSPC) 측정 방법을 수행하도록 구성되는,
    판독 장치(20).
  9. 차량(14)의 환경에서 물체(12)를 검출하기 위한 초점 평면 어레이 배치의 라이다 측정 장치(10)로서,
    광 펄스를 송신하기 위한 복수의 송신 소자(32)를 갖는 라이다 송신 유닛(18) 및 상기 광 펄스를 수신하기 위한 복수의 센서 소자(36a-36j)를 갖는 라이다 수신 유닛(16)-상기 송신 소자와 상기 센서 소자는 상기 차량의 수평면에 평행하게 이어지는 라인으로 배치됨;- 및
    제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 판독 장치(20)를 포함하는,
    라이다 측정 장치(10).
  10. 제9항에 있어서,
    상기 차량의 범퍼 영역에서 상기 차량에 배치되도록 구성되는,
    라이다 측정 장치(10).
  11. 초점 평면 어레이 배치에서 라이다 측정 장치(10)의 라이다 송신 유닛(18)과 라이다 수신 유닛(16) 사이의 광 펄스의 신호 전파 시간을 결정하기 위한 방법으로서,
    상기 라이다 송신 유닛의 송신 소자에 할당된 매크로셀(34)에 배열된 상기 라이다 수신 유닛의 복수의 센서 소자(36a-36j)의 검출을 수신하는 단계(S10);
    상기 복수의 센서 소자에 대한 개별 가중치 파라미터를 각각 결정하는 단계(S12)-상기 가중치 파라미터는 상기 센서 소자의 신호 대 잡음비에 의존함-;
    상기 검출의 검출 시간에 대한 상기 검출의 할당을 갖는 히스토그램을 생성하는 단계(S14)-상기 합산 유닛은 상기 개별 가중치 파라미터에 기초하여 상기 검출에 가중치를 부여하도록 구성됨-;
    상기 생성된 히스토그램에 기초하여 신호 전파 시간을 결정하는 단계(S16); 및
    상기 신호 전파 시간을 출력하는 단계(S18)를 포함하는
    방법.
  12. 프로그램 코드가 컴퓨터 상에서 실행될 때, 제11항에 따른 방법의 단계들을 수행하기 위한 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램 제품.
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