WO2019101506A1 - Verfahren zum betreiben eines lidar-sensors und lidar-sensor - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines lidar-sensors und lidar-sensor Download PDF

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WO2019101506A1
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Andre Nauen
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Osram Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a LIDAR sensor which repeatedly performs measurements in a respective measuring time window, at the beginning of which at least one measuring light pulse having at least one predetermined one
  • Wavelength is transmitted by the LIDAR sensor, and it is checked whether within the measurement window
  • Light pulse with the at least one predetermined wavelength is detected by the LIDAR sensor. Furthermore, the concerns
  • Invention also a LIDAR sensor.
  • LIDAR Light Detection and Ranging
  • the function of a LIDAR (Light Detection and Ranging) sensor or a LIDAR system is based on a transit time measurement of emitted light signals. If these impinge on surfaces in the vicinity of the LIDAR sensor, part of the emitted power is reflected in the direction of the LIDAR sensor. Accordingly, the pulse echo can be recorded with a suitable sensor. If the transmission of the pulse takes place at a first time and the echo signal is detected at a later second time, then the distance to the reflecting surface over the transit time, which represents the difference between the first and the second time, can be calculated.
  • a LIDAR sensor usually works with light pulses that have a specific
  • Wavelength for example, 905 nanometers, and have a certain pulse length. Furthermore, every light pulse
  • LIDAR sensors are now increasingly used in the automotive sector.
  • LIDAR sensors are increasingly installed in motor vehicles. A problem with the approach described above may occur when, for example, two vehicles, each equipped with a LIDAR sensor, move towards each other. For example, both vehicles have identically constructed LIDAR systems that transmit their pulses regularly and with the same
  • Pulse frequency generate and work in the same wavelength range, it may be that the first LIDAR sensor on the first motor vehicle in its corresponding
  • Measuring time windows also receive transmission pulses of the second LIDAR sensor of the second motor vehicle.
  • the transmission pulses of the second LIDAR sensor generate
  • Pulse echoes i. that of the first LIDAR sensor
  • Object of the present invention is therefore, a
  • the LIDAR sensor In a method according to the invention for operating a LIDAR sensor, the LIDAR sensor repeatedly performs measurements in a respective measurement time window, at the beginning of which at least one measurement light pulse having at least one predetermined wavelength is emitted by the LIDAR sensor and it is checked whether within the measurement time window on
  • Light pulse with the at least one predetermined wavelength is detected by the LIDAR sensor. Furthermore, it is a time interval between two consecutive
  • Measuring time windows varies.
  • the invention is based on the recognition that by a temporal variation of the distances between
  • each successive measurement time windows pulse echoes of Scheinechos can be easily distinguished by a consideration or a comparison of the detected measurement signals of several consecutive measurement time windows.
  • consideration or comparison of such successive measurement signals may include, but is not necessarily limited to, averaging of the plurality of measurement signals acquired in a predeterminable number of consecutive measurement time windows. Averages are usually used to improve the signal-to-noise ratio. To improve noise margins, therefore, in individual LIDAR systems, several individual pulse measurements can be offset against each other, for example, the
  • Averaged measurement time windows are preferably carried out in a period in which even very fast moving objects can still be assumed to be quasi-static relative to the LIDAR sensor. So it is
  • an object at a distance to the LIDAR sensor the result for the quasi-static case for several consecutive measurements at least
  • Measuring time window is received a false echo, so it is due to the temporal variation of the following
  • a temporal averaging of several measuring time windows therefore, sight echoes are noticeably less noticeable and can thus be more easily discriminated.
  • a particularly great advantage of the invention is that even if interference signals or echoes are nevertheless received in successive measurement time windows, the variation in the time interval of the measurement time windows also causes a corresponding variation of the respective transit times of the successively received echoing echoes.
  • suitable threshold value can therefore be very simple interference pulses of actual measuring light pulses
  • the inventive method and its embodiments allows a distinction between Scheinechos and actual echoes even if the Scheinechos are generated by a similar LIDAR sensor whose time base also varies, especially if this also
  • a stochastic variation is a random variation.
  • Stochastic variation of the measurement time window can be based on random numbers.
  • random numbers standard methods of computer engineering can be used
  • stochastic variation can also be arbitrary and follow, for example, a normal distribution. Preferably, however, the stochastic variation is equally distributed. Uniform distribution allows a particularly even temporal smearing of the sham echoes and thus minimizes the probability of forming a peak-like distribution in the time histogram for such sham echoes, which makes the distinction between
  • the time interval varies such that respective
  • Beginning times of two successive measuring time window have a predetermined minimum time interval to each other.
  • successive measuring time windows overlap in time.
  • this minimum time interval can also be advantageously ensured that a certain pulse rate, which indicates the number of emitted measuring light pulses per second, and which is mainly determined by the thermal capacity of the light sources used, such as an infrared laser diode, is not exceeded.
  • This minimum time interval can thus advantageously depending on the
  • the time interval is varied so that the
  • the start times of a respective measurement time window are determined by the times at which the LIDAR sensor emits respective measurement light pulses,
  • the LIDAR sensor can be designed to cover a measuring range up to a maximum of 600 meters, preferably up to a maximum of 300 meters. To cover a measuring range of up to 300 meters, a measuring time window of two microseconds is required, corresponding to a measuring time window of four microseconds for a measuring range of up to 600 meters.
  • the pulse rate is, depending on
  • Pulse frequency less than 100 kilohertz resulting in thermal limitations of the light sources used, such as
  • Measuring light pulses used light sources is taken into account.
  • the time interval within a predetermined maximum time interval which is a maximum
  • Variation amplitude defined, varies.
  • Variation amplitude can be corresponding to a earliest
  • the actual beginning of the measurement window is then selected, preferably at random, between the earliest and most recent times so defined. The length or size of this
  • Variation amplitude can be adjusted according to the requirements of the system.
  • Detection quality of the LIDAR sensor is determined, in particular depending on a resolution or a signal-to-noise ratio.
  • Pulse echoes i. the pulses emitted by the LIDAR sensor itself and at least partially reflected by an object.
  • the maximum variation amplitude may be set with reference to a predetermined time, which may be set in FIG.
  • signals received by the LIDAR sensor during the respective measuring time window are evaluated, wherein an averaging of the signals received in the measuring time windows for a predetermined number of measuring time windows, in particular
  • received signal is checked, whether the received signal at least one of a noise signal different
  • Light pulse with the at least one predetermined wavelength includes, and if so, a duration of the at least one light pulse is determined and the specific transit time is entered in a transit time histogram, wherein in the
  • Runtime histogram the frequencies of the runtimes of the Light pulses in several, in particular
  • the runtime histogram thus indicates the frequency with which a specific runtime was recorded in a predetermined number of measurements. However, in the case of glitches recorded in several consecutive measurement windows, the result is
  • the peak resulting from an actual object and the statistically distributed transit times of the echoes can be correspondingly easily distinguished by the consideration of such a transit time histogram.
  • the regularly or irregular incoming pulses of another LIDAR sensor on the time axis are distributed so that they form a kind of background and thus the actually relevant
  • Echo signal can be easily discriminated.
  • discrimination can be based on a suitable threshold, such as the
  • the variation amplitude is greater than a mean width of a distribution associated with a peak in
  • Runtime histogram always a peak with finite width. Accordingly, the distributed token returns sufficiently well from the peak due to actual echoes
  • the amplitude of variation is greater, in turn, in turn, is greater by a multiple, for example, at least one
  • Measurement window averaged measurements are performed. Therefore, it represents a further advantageous embodiment of the invention, when as an averaged measurement signal a
  • Averaging of a plurality of signals received in a predetermined number of consecutive measurement time windows is provided, wherein in the evaluation of the averaged measurement signal it is checked whether the averaged measurement signal is at least one different from a noise signal
  • Light pulse with the at least one predetermined wavelength includes, and if so, a duration of the at least one light pulse is determined and the specific transit time is entered in a transit time histogram, wherein in the
  • Runtime histogram the frequencies of the runtimes of the
  • Light pulses consisting of several, in particular
  • Runtime histogram to be entered quite analogous to the previously described.
  • the previous averaging over several measurement time windows improves the signal-to-noise ratio and, above all, makes it easier to distinguish between received pulses and the noise background.
  • a simple thresholding method may be used.
  • an ambient information is provided on the basis of the light pulses received in respective measurement time windows, whereby only such light pulses are taken into account in the provision of the environmental information which have transit times whose
  • Such a suitable threshold value can, for example, as already mentioned, be a multiple of the mean value of the
  • the invention also relates to a LIDAR sensor which is designed to repeat measurements in one
  • Wavelength is detected by the LIDAR sensor. Furthermore, the LIDAR sensor is designed to be a time interval
  • the LIDAR sensor has a control device which is designed to process steps of the method according to the invention or one of its
  • the LIDAR sensor can for example
  • 850 nanometers and 1600 nanometers or for example at 905 nanometers or 1064 nanometers or 1548 nanometers or 5600 nanometers or 8100 nanometers.
  • other wavelengths are conceivable, such as
  • the LIDAR sensor can be designed to emit light pulses having a frequency between one kilohertz and one megahertz, preferably with a frequency smaller than 100 kilohertz.
  • the detection range of the LIDAR sensor can be between a few centimeters, for example 20
  • the measurement time windows can last, for example, two microseconds, which corresponds to the duration of a light pulse in the case of reflection at an object 300 meters away.
  • the respective measurement time windows do not necessarily always have to remain the same, but can, for example, also be dynamically connected to the
  • Removal of recently detected objects can be adjusted.
  • the individual light pulses may have a length of a few nanoseconds, such as one nanosecond, five nanoseconds, ten nanoseconds, 15 nanoseconds,
  • the LIDAR sensor can also be configured as a flash lidar, for example, which generates its resolution exclusively by means of the detector, which in this case consists of a plurality of individually readable segments arranged in a matrix.
  • the LIDAR sensor can also be designed as a raster LIDAR, which emitter
  • the LIDAR sensor can be formed as a hybrid form of both LIDAR types, for example, so that in one dimension is a raster movement, the resolution in the second
  • the emitter of the sensor can be made of either a single emitter or a one-dimensional or two-dimensional one Emitter matrix whose parts can each be controlled individually consist.
  • both strip emitters and VCSEL types for example VCSEL and VECSEL, ie
  • Light source emitters can thus be provided in principle both as LEDs and as laser diodes.
  • the individual light pulses emitted by such an emitter can have a power in the range of a few milli-watts (VCSEL) and between 30 watts and 200 watts (VECSEL).
  • the LIDAR sensor according to the invention or one of its
  • Embodiments are considered as belonging to the invention.
  • the LIDAR sensor can be installed in a headlight of the motor vehicle, in particular in a headlight of the motor vehicle.
  • the LIDAR sensor can also be used, for example, in aircraft, drones,
  • Fig. 1 is a schematic representation of a motor vehicle with a LIDAR sensor according to a Embodiment of the invention and a
  • FIG. 2 shows a schematic representation for illustrating a method for operating a LIDAR sensor according to an exemplary embodiment of the invention, in which a time interval between
  • 3 is a graphical representation of the signal received by the LIDAR sensor in a measurement time window
  • Fig. a graphic representation of a
  • Runtime histogram which was created on the basis of measurements with a LIDAR sensor according to the prior art.
  • Fig. 6 is a schematic representation of a
  • Runtime histogram based on measurements with a LIDAR sensor according to a
  • Embodiment of the invention has been created.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a
  • the LIDAR sensor 12 has an emitter 12a for emitting measurement light pulses A, a detector 12b for detecting at least part of the reflected measurement light pulse A 'which is incident on an object in the surroundings U was reflected, as in this example on oncoming second motor vehicle 14, and a
  • Control device 12c which is designed to read out the detector 12b, to evaluate the signals detected by the detector 12b and also to control the emission of the measuring light pulses A by the emitter 12a.
  • the function of a LIDAR system such as the LIDAR sensor 12 described here, is based on a propagation time measurement of emitted light signals, such as the measuring light pulses A emitted here. If these impinge on surfaces in the surroundings U of the LIDAR sensor 12, then one part becomes the reflected power in the direction of the LIDAR sensor 12, as reflected by the reflected
  • Measuring light pulse A 'in Fig. 1 is shown. Accordingly, the pulse echo, that is, the one reflected here
  • the LIDAR sensor 12 may be designed to emit measuring light pulses A of any desired wavelength, preferably in the infrared wavelength range between 850 nanometers and 1600 nanometers, or else in other wavelength ranges.
  • the LIDAR sensor 12 may use various differently designed transmitter and receiver concepts to capture the distance information in different spatial directions. This then creates a two-dimensional image of the environment, which is the complete one for each resolved point in space
  • the LIDAR sensor 12 can be used in a variety of applications. By way of example, the use in a motor vehicle 10 is described here.
  • the problem presented in FIG. 1 is that mutual interference of the respective LIDAR systems can occur if two Vehicles, which are each equipped with a corresponding LIDAR sensor 16, to move towards each other.
  • Echo signals detect, as intended, but also under certain conditions, as well as the emitted from the second conventional LIDAR sensor 16 of the oncoming vehicle 14 light pulses.
  • Measuring time windows for detecting glitch echoes that is to say the pulses B generated by the second conventional LIDAR sensor 16, by the first conventional LIDAR sensor 16.
  • the pulses B generated by the second conventional LIDAR sensor 16 by the first conventional LIDAR sensor 16.
  • the incoming pulse power of the pulse emitted by the second conventional LIDAR sensor 16 must be above the detection threshold of the first conventional LIDAR sensor, which would obviously be the case in the situation shown in Fig. 1, because there is a direct optical path between the two
  • the transmit pulse B of the second conventional LIDAR sensor 16 would then generate a dummy object in a conventional first LIDAR sensor 16.
  • two cases can then be distinguished: If the transmission pulse B of the second conventional LIDAR sensor 16 hits within the measuring time, but later than the echo signal of the actual from the first
  • Solid angle segment has a multi-target ability, but may also give an undesirable effect here.
  • a partially autonomously driving vehicle would trigger an unnecessarily strong braking, which in turn could endanger other road users.
  • Fig. 2 shows a schematic representation for illustrating a method for
  • the LIDAR sensor 12 repeatedly sends at the beginning of each
  • Measuring time windows M respective measuring light pulses A off. Furthermore, it is checked during this particular measurement time window M whether within this measurement time window M, a light pulse A 'was received.
  • the respective measuring time windows M can have, for example, a length of two microseconds, which corresponds to a maximum detection range of 300 meters. Depending on the desired maximum
  • the measurement time window M but also have other lengths. Furthermore, the respective successive measuring time windows M have a temporal
  • Measuring time window M does not fall below a certain minimum time interval Dmin. Furthermore, the respective start times t0, t2, t3, t4, preferably below
  • Variationsintervalls v lying is selected.
  • a variation amplitude v was selected which corresponds to half of a respective measurement time window M, but both smaller and larger values are possible.
  • this maximum variation amplitude v is set with respect to a predetermined time, namely, in
  • the stochastic variation makes it possible, in an advantageous manner, between echoes A 'based on the measuring light pulses A emitted by the LIDAR sensor 12 and echoes that are transmitted by other LIDAR sensors
  • Measuring light pulses B represent how to differentiate
  • FIG. 3 shows a graphical representation of one of
  • LIDAR sensor 12 during a measurement time window M received signal 18 a.
  • the abscissa is the time t in
  • Measuring time window M In a typical individual measurement is within such a single measurement on a
  • a received measuring signal 18b as shown in FIG. 4 as an example for the averaging of five consecutive measurements
  • FIG Absc issa the time t in nanoseconds from the respective
  • Measuring light pulses A are emitted in the average time, for example, 100 kilohertz and 100 consecutive measurements to an averaged measurement signal 18b
  • the total measurement duration in this example is one millisecond.
  • the distance to an object can now be determined as follows:
  • the term "single measurement” is used for the determination of only one value for the time At, regardless of whether this value for the Run time ⁇ t on the basis of the received signal 18a in only one measuring time window M or on the basis of a plurality of averaged signals which ultimately provide the averaged measuring signal 18b
  • the ensemble's values would change over time, which would at least reduce the measurement accuracy.
  • the respective values of the transit times ⁇ t thus determined are now displayed in a histogram 24 (see FIG.
  • Histogram line of height n in case the ensemble is made up of n single measurements, where n is an integer
  • a runtime histogram 22 results, as shown in Fig. 5.
  • the abscissa represents the transit time ⁇ t in nanoseconds and the ordinate the frequencies C.
  • Measuring light pulses which would then correspond to the measuring light pulses denoted by A in FIG. 1, including those emitted by another conventional LIDAR sensor 16
  • Measuring light pulses B are received, resulting in this case, two peaks PA, PB.
  • PA denotes the peak which is due to the measurement light pulses emitted by the conventional LIDAR sensor 16
  • PB refers to the reception of the measurement light pulses B of the conventional LIDAR sensor 16 of FIG
  • this further peak PB may be located at different points on the time axis At.
  • Fig. 5 the case is shown that both measuring light pulses A, B of the two conventional LIDAR sensors 16 simultaneously
  • the invention makes it possible to avoid the detection of such a dummy object by the
  • the time base of the LIDAR sensor 12 that is to say the pulse emission and the start of the measuring time, varies stochastically, then these become regular
  • incoming pulses of another LIDAR sensor 16 are distributed on the time axis At indicating time axis of the corresponding transit time histogram 24, as shown in Fig. 6
  • the abscissa represents the transit time ⁇ t in nanoseconds and the ordinate the frequencies C.
  • the corresponding transit times At of the dummy pulses B which form the distribution PB in the transit time histogram 24, are distributed over a travel time interval, which corresponds to the variation amplitude v corresponds.
  • the variation amplitude v is greater, in particular much greater, than the width 5A of the histogram distribution PA corresponding to the own measuring light pulses A. It is particularly advantageous if the variation amplitude v is selected between five times and one hundred times the width 5A of the distribution PA.
  • Distribution PA in turn depends on the measurement quality and the measurement accuracy of the LIDAR sensor 12 used. This can be determined experimentally, for example, or predefined as a corresponding estimated value. Since the current measurement quality may also be affected by environmental parameters, such as the Ambient brightness and stray light or the removal of detected objects, it is for example also advantageous if the variation amplitude v is not a fixed value, but is varied, for example, depending on a current quality parameter of the LIDAR sensor 12. Such a quality parameter may, for example, represent the current measurement accuracy and be determined, for example, as a function of the current signal-to-noise ratio or the like. Also, this one can
  • Quality parameters are determined in dependence on one or more of the above-mentioned variables influencing the measurement accuracy.
  • a possible criterion for discriminating the apparent pulse could use a threshold SW normalized to the mean of the histogram frequencies C, for example such that only histogram values are used for the peak detection and thus the transit time measurement whose frequencies C are greater than twice the mean of the peak
  • Histogram frequencies C Such a threshold value SW is also shown by way of example in FIG.
  • the temporal position of the maximum value of the histogram value could then simply be used.
  • Measurement time windows M can be random numbers, in particular evenly distributed random numbers, used or - depending on the source of the random numbers - other distributions are selected.
  • a source of random numbers standard methods of computer engineering based for example on Fibonacci series, but also physical sources such as the thermal noise of a resistor can be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines LIDAR-Sensors (12), der wiederholt Messungen in einem jeweiligen Messzeitfenster (M) durchführt, zu Beginn von welchem zumindest ein Messlichtpuls (A) mit zumindest einer vorbestimmten Wellenlänge durch den LIDAR-Sensor (12) ausgesendet wird, und überprüft wird, ob innerhalb des Messzeitfensters (M) ein Lichtpuls (A') mit der zumindest einen vorbestimmten Wellenlänge vom LIDAR-Sensor (12) erfasst wird. Dabei wird ein zeitlicher Abstand (D1, D2, D3) zwischen zwei aufeinder folgenden Messzeitfenstern (M) variiert.

Description

VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES LIDAR-SENSORS UND LIDAR-SENSOR
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines LIDAR-Sensors , der wiederholt Messungen in einem jeweiligen Messzeitfenster durchführt, zu Beginn von welchem zumindest ein Messlichtpuls mit zumindest einer vorbestimmten
Wellenlänge durch den LIDAR-Sensor ausgesendet wird, und überprüft wird, ob innerhalb des Messzeitfensters ein
Lichtpuls mit der zumindest einen vorbestimmten Wellenlänge vom LIDAR-Sensor erfasst wird. Weiterhin betrifft die
Erfindung auch einen LIDAR-Sensor.
Die Funktion eines LIDAR (Light Detection and Ranging) - Sensors beziehungsweise eines LIDAR-Systems beruht auf einer Laufzeitmessung von ausgesandten LichtSignalen . Treffen diese auf Oberflächen in der Umgebung des LIDAR-Sensors auf, so wird ein Teil der ausgesandten Leistung in Richtung des LIDAR-Sensors reflektiert. Dementsprechend kann das Pulsecho mit einem geeigneten Sensor aufgezeichnet werden. Erfolgt die Aussendung des Pulses zu einem ersten Zeitpunkt und wird das Echosignal zu einem späteren zweiten Zeitpunkt erfasst, dann kann der Abstand zur reflektierenden Oberfläche über die Laufzeit, die die Differenz aus erstem und zweitem Zeitpunkt darstellt, berechnet werden. Ein LIDAR-Sensor arbeitet dabei üblicherweise mit Lichtpulsen, die eine bestimmte
Wellenlänge, zum Beispiel 905 Nanometer, und eine bestimmte Pulslänge aufweisen. Weiterhin ist jedem Lichtpuls
typischerweise ein Messzeitfenster zugeordnet, welches mit der Aussendung des Messlichtpulses beginnt. Sollen durch eine Messung sehr weit entfernte Objekte erfassbar sein, wie beispielsweise Objekte in einer Entfernung von 300 Metern, so muss dieses Messzeitfenster, innerhalb welchem überprüft wird, ob ein reflektierter Lichtpuls empfangen wurde, mindestens zwei Mikrosekunden andauern. Auch weisen solche Messzeitfenster typischerweise einen zeitlichen Abstand zueinander auf. Die Verwendung von LIDAR-Sensoren findet nunmehr zunehmend auch im Kraftfahrzeugbereich Anwendung. Entsprechend werden in Kraftfahrzeugen auch zunehmend LIDAR-Sensoren verbaut. Ein Problem mit dem zuvor beschriebenen Ansatz kann auftreten, wenn sich zum Beispiel zwei Fahrzeuge, welche jeweils mit einem LIDAR-Sensor ausgestattet sind, aufeinander zu bewegen. Weisen beispielsweise beide Kraftfahrzeuge baugleiche LIDAR- Systeme auf, die ihre Pulse regelmäßig und mit gleicher
Pulsfrequenz erzeugen und im gleichen Wellenlängenbereich arbeiten, so kann es sein, dass der erste LIDAR-Sensor am ersten Kraftfahrzeug in seinen entsprechenden
Messzeitfenstern auch Sendepulse des zweiten LIDAR-Sensors des zweiten Kraftfahrzeugs empfängt. In einem solchen Fall erzeugen die Sendepulse des zweiten LIDAR-Sensors ein
Scheinobjekt für den ersten LIDAR-Sensor. Besonders kritisch ist dabei der Fall, wenn die Scheinechos, d.h. die vom zweiten LIDAR-Sensor gesendeten Lichtpulse, vom ersten LIDAR- Sensor früher empfangen werden als die eigentlichen
Pulsechos, d.h. die vom ersten LIDAR-Sensor eigens
ausgesandten und zumindest zum Teil reflektierten
Messlichtpulse. Denn dadurch entsteht ein Scheinobjekt in geringerem Abstand als sich tatsächlich Objekte in der
Umgebung des ersten LIDAR-Sensors befinden. Unter Umständen würde damit ein Fahrerassistenzsystem eines Fahrzeugs eine unnötig starke Bremsung auslösen, welche wiederum andere Verkehrsteilnehmer gefährden könnte.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein
Verfahren zum Betreiben eines LIDAR-Sensors und einen LIDAR- Sensor bereitzustellen, die es ermöglichen, die
Wahrscheinlichkeit für die Erfassung eines Scheinobjekts als tatsächliches Objekt zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines LIDAR-Sensors sowie durch einen LIDAR-Sensor mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren .
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines LIDAR-Sensors führt der LIDAR-Sensor wiederholt Messungen in einem jeweiligen Messzeitfenster durch, zu Beginn von welchem zumindest ein Messlichtpuls mit zumindest einer vorbestimmten Wellenlänge durch den LIDAR-Sensor ausgesendet wird und überprüft wird, ob innerhalb des Messzeitfensters ein
Lichtpuls mit der zumindest einen vorbestimmten Wellenlänge vom LIDAR-Sensor erfasst wird. Weiterhin wird dabei ein zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Messzeitfenstern variiert.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass sich durch eine zeitliche Variation der Abstände zwischen
jeweiligen aufeinanderfolgenden Messzeitfenstern Pulsechos von Scheinechos auf einfache Weise durch eine Betrachtung bzw. einen Vergleich der erfassten Messsignale von mehreren aufeinanderfolgenden Messzeitfenstern unterscheiden lassen. Eine solche Betrachtung bzw. ein solcher Vergleich solcher aufeinanderfolgenden Messsignale kann, aber muss nicht notwendigerweise, eine Mittelung der mehreren Messsignale, die in einer vorbestimmbaren Anzahl aufeinanderfolgenden Messzeitfenstern erfasst wurden, umfassen. Mittelungen dienen üblicherweise der Verbesserung des Signal-Rausch- Verhältnisses . Zur Verbesserung von Störabständen können daher in üblichen LIDAR-Systemen mehrere Einzelpulsmessungen miteinander verrechnet werden, um beispielsweise den
Störabstand durch Mittelung zu verbessern. Mit anderen Worten werden hierbei die Messergebnisse bzw. die empfangenen
Messsignale von mehreren aufeinanderfolgenden
Messzeitfenstern gemittelt. Diese Mittelungen erfolgen dabei vorzugsweise in einem Zeitraum, in welchem auch sehr schnell bewegte Objekte noch als quasi-statisch relativ zum LIDAR- Sensor angenommen werden können. Befindet sich also
beispielsweise ein Objekt in einem Abstand zu dem LIDAR- Sensor, so ergeben sich für den quasi-statischen Fall für mehrere aufeinanderfolgende Messungen zumindest
näherungsweise die gleichen Pulslaufzeiten in
aufeinanderfolgenden Messungen. Die Variation des zeitlichen Abstands zweier aufeinanderfolgender Messzeitfenster hat auf Basis obiger Erkenntnis gleich mehrere Vorteile. Zum einen ist es durch die zeitliche Verschiebung beziehungsweise durch die zeitliche Variation des Abstands zwischen
aufeinanderfolgenden Messzeitfenstern unwahrscheinlicher, dass in mehreren aufeinanderfolgenden Messzeitfenstern
Scheinechos empfangen werden. Selbst wenn also in einem
Messzeitfenster ein Scheinecho empfangen wird, so ist es aufgrund der zeitlichen Variation des darauffolgenden
Messzeitfensters mit erhöhter Wahrscheinlichkeit möglich, dass ein darauffolgender Störpuls eines anderen regelmäßig, oder auch unregelmäßig, emittierenden zweiten LIDAR-Sensors gerade nicht mehr in das entsprechende Messzeitfensters des LIDAR-Sensors fällt und somit nicht mehr erfasst wird. Auf Basis einer zeitlichen Mittelung mehrerer Messzeitfenster machen sich daher Scheinechos deutlich weniger bemerkbar und können somit einfacher diskriminiert werden. Ein besonders großer Vorteil der Erfindung besteht jedoch darin, dass selbst wenn dennoch in aufeinanderfolgenden Messzeitfenstern Störsignale beziehungsweise Scheinechos empfangen werden, die Variation des zeitlichen Abstands der Messzeitfenster jedoch auch eine entsprechende Variation der jeweiligen Laufzeiten der aufeinanderfolgend empfangenen Scheinechos bedingt. Würde man also aufeinanderfolgende Messergebnisse für die auf Basis der empfangenden Messsignale ermittelten Pulslaufzeiten beispielsweise in ein Zeithistogramm auftragen, so wären die Störpulse, die in aufeinanderfolgenden Messzeitfenstern des LIDAR-Sensors empfangen werden, zeitlich verschmiert. Im Gegensatz dazu bildet sich für die eigentlichen Pulsechos von Pulsen, welche auch vom LIDAR-Sensor selbst ausgesandt wurden, eine Peak-förmige Verteilung in einem solchen
Zeithistogramm aus. Durch Anwendung von zum Beispiel
geeigneten Schwellwertverfahren lassen sich also Störpulse von eigentlichen Messlichtpulsen besonders einfach
unterscheiden . Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der zeitliche
Abstand zwischen den zwei aufeinanderfolgenden
Messzeitfenstern stochastisch variiert wird. Damit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen eine Unterscheidung zwischen Scheinechos und tatsächlichen Echos selbst dann, wenn die Scheinechos durch einen baugleichen LIDAR-Sensor erzeugt werden, dessen Zeitbasis ebenfalls variiert, insbesondere selbst wenn diese ebenfalls
stochastisch variiert. Unter einer stochastischen Variation ist dabei eine zufällige Variation zu verstehen. Die
stochastische Variation der Messzeitfenster kann dabei auf Zufallszahlen beruhen. Als Quelle der Zufallszahlen können Standardverfahren aus der Computertechnik, welche
beispielsweise auf Fibonacci-Reihen beruhen, aber auch physikalischen Quellen verwendet werden, wie das thermische Rauschen eines Widerstandes. Die Verteilung der
stochastischen Variation kann dabei ebenfalls beliebig sein und zum Beispiel einer Normalverteilung folgen. Bevorzugt jedoch ist die stochastische Variation gleichverteilt. Durch eine Gleichverteilung wird eine besonders gleichmäßige zeitliche Verschmierung der Scheinechos ermöglicht und damit die Wahrscheinlichkeit zur Ausbildung einer Peak-ähnlichen Verteilung im Zeithistogramm für solche Scheinechos auf ein Minimum reduziert, was die Unterscheidung zwischen
tatsächlichen Pulsechos und Scheinechos einfacher und
zuverlässiger macht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung variiert der zeitliche Abstand derart, dass jeweilige
Beginnzeitpunkte zweier aufeinanderfolgender Messzeitfenster einen vorbestimmten zeitlichen Mindestabstand zueinander aufweisen. Zum einen kann es so vorteilhafterweise vermieden werden, dass aufeinanderfolgende Messzeitfenster zeitlich überlappen. Dadurch ist vorteilhafterweise die zeitliche Eindeutigkeit eines empfangenen Messlichtpulses
gewährleistet. Durch diesen zeitlichen Mindestabstand kann jedoch auch vorteilhafterweise gewährleistet werden, dass eine bestimmte Pulsfrequenz, die die Anzahl der ausgesandten Messlichtpulse pro Sekunde angibt, und die vor allem durch die thermische Belastbarkeit der verwendeten Lichtquellen, wie beispielsweise einer Infrarot-Laserdiode, bestimmt wird, nicht überschritten wird. Dieser zeitliche Mindestabstand kann also vorteilhafterweise in Abhängigkeit von den
verwendeten Lichtquellen bestimmt werden und gewährleistet damit immer einen besonders effizienten Betrieb des LIDAR- Sensors .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der zeitliche Abstand derart variiert, dass die
Beginnzeitpunkte einen zeitlichen Abstand zueinander
aufweisen, der größer ist als das zeitlich erste zweier aufeinanderfolgender Messzeitfenster, insbesondere um ein Vielfaches größer. Die Beginnzeitpunkte eines jeweiligen Messzeitfensters sind dabei durch die Zeitpunkte, zu denen der LIDAR-Sensor jeweilige Messlichtpulse aussendet,
definiert. Der LIDAR-Sensor kann dazu ausgelegt sein, einen Messbereich bis maximal 600 Meter, vorzugsweise bis maximal 300 Meter Entfernung, abzudecken. Um einen Messbereich bis 300 Meter Entfernung abzudecken, ist ein Messzeitfenster von einer Länge von zwei Mikrosekunden erforderlich, entsprechend bei einem Messbereich bis 600 Meter ein Messzeitfenster von vier Mikrosekunden. Die Pulsfrequenz liegt, je nach
Ausbildung des LIDAR-Sensors , im Bereich zwischen ein
Kilohertz und ein Megahertz. Vorzugsweise ist die
Pulsfrequenz kleiner als 100 Kilohertz, was in thermischen Limitierungen der verwendeten Lichtquellen, wie
beispielsweise bei 905 Nanometer emittierenden Laserdioden, begründet ist. Im Falle einer Pulsfrequenz, die kleiner oder gleich 100 Kilohertz ist, würden also Lichtpulse in einem zeitlichen Abstand von zehn Mikrosekunden oder mehr
ausgesandt werden, was ein Vielfaches der Dauer eines
Messzeitfensters darstellt. Mit anderen Worten wird es durch diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht, dass zum einen sichergestellt ist, dass sich
aufeinanderfolgende Messzeitfenster nicht überlappen und zudem, wenn der zeitliche Mindestabstand zwischen jeweiligen aufeinanderfolgenden Beginnzeitpunkten sogar um ein
Vielfaches größer ist als die Messzeitfenster, dass den thermischen Limitierungen der für das Aussenden der
Messlichtpulse verwendeten Lichtquellen Rechnung getragen wird .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der zeitliche Abstand innerhalb eines vorbestimmten maximalen Zeitintervalls , welches eine maximale
Variationsamplitude definiert, variiert. Diese
Variationsamplitude kann entsprechend einen frühesten
Zeitpunkt für den Beginn eines Messzeitfensters definieren, insbesondere welcher die Anforderungen an den oben
beschriebenen zeitlichen Mindestabstand zum vorhergehenden Messzeitfenster erfüllt, sowie auch einen spätesten Zeitpunkt für den Beginn des Messzeitfensters . Der tatsächliche Beginn des Messzeitfensters wird dann, vorzugsweise zufällig, zwischen dem so definierten frühesten und spätesten Zeitpunkt gewählt. Die Länge beziehungsweise Größe dieser
Variationsamplitude kann entsprechend auf die Anforderungen des Systems angepasst sein.
Vorteilhaft ist es dabei, wenn eine Größe der maximalen
Variationsamplitude in Abhängigkeit von einem
Qualitätsparameter zur Charakterisierung der
Erfassungsqualität des LIDAR-Sensors festgelegt wird, insbesondere in Abhängigkeit von einer Auflösung oder einem Signal-zu-Rausch-Verhältnis . Somit kann vorteilhafterweise gewährleistet werden, dass sich die Laufzeiten von
aufeinanderfolgend erfassten Scheinechos deutlich
signifikanter unterscheiden als die von tatsächlichen
Pulsechos, d.h. den vom LIDAR-Sensor selbst ausgesandten und an einem Objekt zumindest zum Teil reflektierten Pulsen.
Weiterhin kann die maximale Variationsamplitude mit Bezug auf einen vorbestimmten Zeitpunkt festgelegt sein, der in
Abhängigkeit von dem Beginnzeitpunkt des vorhergehenden Messzeitfensters festgelegt wird. Dies hat den Vorteil, dass so der oben beschriebene zeitliche Mindestabstand eingehalten werden kann, indem der frühest mögliche Beginnzeitpunkt eines Messzeitfensters mit Bezug auf den Beginnzeitpunkt des vorhergehenden Messzeitfensters, der durch den Zeitpunkt des Aussendens eines Messlichtpulses definiert ist, bestimmt wird .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden während der jeweiligen Messzeitfenster vom LIDAR- Sensor empfangene Signale ausgewertet, wobei eine Mittelung von den in den Messzeitfenstern empfangenen Signalen für eine vorbestimmte Anzahl an Messzeitfensters, insbesondere
aufeinanderfolgenden Messzeitfenstern, durchgeführt wird. Durch eine derartige Mittelung kann das Signal-Rausch- Verhältnis verbessert werden. Zwar wirkt sich eine Mittelung mehrerer aufeinanderfolgender Messungen auch positiv auf die Unterscheidungsmöglichkeit tatsächlicher Echos von
Scheinechos aus, jedoch ist eine zeitliche Mittelung
aufeinanderfolgender Messungen nicht zwingend erforderlich. Eine vorteilhafte Unterscheidungsmöglichkeit ist auch
lediglich durch die Betrachtung und den Vergleich
aufeinanderfolgender Messungen möglich, ohne eine Mittelung dieser Messergebnisse durchführen zu müssen. Eine solche Vergleichsmöglichkeit ist beispielsweise durch die
Betrachtung eines Laufzeithistogramms möglich, wie dies nachfolgend näher beschrieben wird.
Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn bei einer Auswertung eines innerhalb eines jeweiligen Messzeitfensters vom LIDAR-Sensor
empfangenen Signals überprüft wird, ob das empfangene Signal zumindest einen von einem Rauschsignal verschiedenen
Lichtpuls mit der zumindest einen vorbestimmten Wellenlänge umfasst, und falls ja, eine Laufzeit des zumindest einen Lichtpulses bestimmt wird und die bestimmte Laufzeit in ein Laufzeithistogramm eingetragen wird, wobei in dem
Laufzeithistogramm die Häufigkeiten der Laufzeiten der Lichtpulse, die in mehreren, insbesondere
aufeinanderfolgenden, Messzeitfenstern empfangen wurde, aufsummiert wurden. Befindet sich also beispielsweise ein bestimmtes Objekt in einem Abstand zum LIDAR-Sensor, so wird der LIDAR-Sensor in aufeinanderfolgenden Messzeitfenstern dieses Objekt durch die durch das Objekt reflektierten
Lichtpulse, die zu Beginn der jeweiligen Messzeitfenster vom LIDAR-Sensor ausgesandt werden, erfasst. Wenn sich also der Abstand dieses Objekts während dieser aufeinanderfolgenden Messungen beziehungsweise Messzeitfenstern nicht ändert, so werden für die jeweiligen am Objekt reflektierten Lichtpulse auch immer, zumindest näherungsweise und im Rahmen der
Messgenauigkeit, die gleichen Laufzeiten erfasst. Werden nun diese mehreren, zumindest näherungsweise gleichen, Laufzeiten in ein Laufzeithistogramm, wie das oben bereits erwähnte Zeithistogramm, eingetragen, so ergibt sich für diese
erfassten Laufzeiten ein Peak. Das Laufzeithistogramm gibt also die Häufigkeit an, mit welcher eine bestimmte Laufzeit in einer vorbestimmten Anzahl an Messungen erfasst wurde. Im Falle von in mehreren aufeinanderfolgenden Messzeitfenstern erfassten Scheinechos jedoch ergibt sich im
korrespondierenden Laufzeithistogramm kein Peak, was durch die Variation des zeitlichen Abstands zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Messzeitfenstern bedingt ist. Wird dieser zeitliche Abstand beispielsweise stochastisch
variiert, so sind auch die Laufzeiten eines Scheinechos, welches in mehreren aufeinanderfolgenden Messzeitfenstern erfasst wurde, im Laufzeithistogramm statistisch verteilt.
Der durch ein tatsächliches Objekt entstehende Peak und die statistisch verteilten Laufzeiten der Scheinechos lassen sich durch die Betrachtung eines solchen Laufzeithistogramms entsprechend einfach unterscheiden. Durch eine statistische Variation des zeitlichen Abstands zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Messzeitfenstern werden die regelmäßig oder auch unregelmäßig eintreffenden Pulse eines anderen LIDAR-Sensors auf der Zeitachse verteilt, sodass sie eine Art Untergrund bilden und damit das eigentlich relevante
Echosignal problemlos diskriminiert werden kann. Zur Diskriminierung kann beispielsweise ein geeigneter Schwellwert herangezogen werden, wie beispielsweise der
Mittelwert der Histogrammhäufigkeiten oder ein Vielfaches davon, zum Beispiel das Doppelte.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Variationsamplitude größer als eine mittlere Breite einer einem Peak zugeordneten Verteilung im
Laufzeithistogramm. Die einem Peak zugeordnete Verteilung stellt dabei eine aus den Laufzeiten tatsächlicher
aufeinanderfolgender Echos, d.h. den vom Lidar-Sensor
ausgesandten und zumindest zum Teil an einem zumindest quasi statischen Objekt reflektierten Messlichtpulsen,
resultierende Verteilung im Laufzeithistogramm dar. Bedingt durch ein endliches Auflösungsvermögen und abhängig von der Messqualität und dem Signal-Rausch-Abstand ergibt sich bei der AufSummierung auch tatsächlicher Echos im
Laufzeithistogramm immer ein Peak mit endlicher Breite. Um entsprechend die verteilten Scheinechos hinreichend gut von dem auf tatsächliche Echos zurückzuführenden Peak zu
unterscheiden, ist es entsprechend vorteilhaft, wenn auch die Variationsamplitude größer ist, insbesondere wiederum um ein Vielfaches größer ist, zum Beispiel mindestens um ein
Fünffaches größer und maximal um ein Hundertfaches größer, als die mittlere Breite eines solchen, auf tatsächlichen Echos zurückzuführenden Peaks im Laufzeithistogramm.
Die Betrachtung des Laufzeithistogramms ist aber nicht nur in Bezug auf Einzelmessungen vorteilhaft, sondern kann in analoger Weise auch auf Basis von über mehrere
Messzeitfenster gemittelten Messungen durchgeführt werden. Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn als ein gemitteltes Messsignal eine
Mittelung mehrerer Signale, die in einer vorbestimmten Anzahl aufeinanderfolgender Messzeitfenster empfangen wurden, bereitgestellt wird, wobei bei der Auswertung des gemittelten Messsignals überprüft wird, ob das gemittelte Messsignal zumindest einem von einem Rauschsignal verschiedenen Lichtpuls mit der zumindest einen vorbestimmten Wellenlänge umfasst, und falls ja, eine Laufzeit des zumindest einen Lichtpulses bestimmt wird und die bestimmte Laufzeit in ein Laufzeithistogramm eingetragen wird, wobei in dem
Laufzeithistogramm die Häufigkeiten der Laufzeiten der
Lichtpulse, die aus mehreren, insbesondere
aufeinanderfolgenden, gemittelten Messsignalen bestimmt wurden, aufsummiert werden. Sobald also auf Basis mehrerer aufeinanderfolgender und gemittelter Messungen ein Puls erfasst wird, kann dessen Laufzeit bestimmt und in das
Laufzeithistogramm eingetragen werden, ganz analog wie bereits zuvor beschrieben. Die vorhergehende Mittelung über mehrere Messzeitfenster verbessert das Signal-Rausch- Verhältnis und erleichtert vor allem die Unterscheidung von empfangenen Pulsen zum Rauschuntergrund.
Zur Überprüfung, ob das Einzelmesssignal oder das gemittelte Messsignal zumindest einen von einem Rauschsignal
verschiedenen Lichtpuls mit der zumindest einen vorbestimmten Wellenlänge umfasst, kann zum Beispiel wiederum ein einfaches Schwellwertverfahren angewandt werden. Zum Beispiel können dabei die zusammenhängenden Signalanteile, die einen
vorbestimmten Schwellwert überschreiten, als einem Lichtpuls bzw. Echo zuzuordnend klassifiziert werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn auf Basis von den in jeweiligen Messzeitfenstern empfangenen Lichtpulsen eine Umgebungsinformation bereitgestellt wird, wobei nur solche Lichtpulse bei der Bereitstellung der Umgebungsinformation berücksichtigt werden, die Laufzeiten aufweisen, deren
Häufigkeiten im Laufzeithistogramm einen vorbestimmten
Schwellwert überschreiten. Durch die erfindungsgemäße
zeitliche Variation der Abstände zwischen den
Messzeitfenstern ist es nun vorteilhafterweise möglich, durch Festlegung eines einfachen Schwellwerts auf Basis eines
Laufzeithistogramms zwischen tatsächlichen Echos und
Scheinechos zu unterscheiden. Entsprechend können dann auch nur solche Lichtpulse bei der letztendlichen Auswertung und Bereitstellung der Umgebungsinformationen berücksichtigt werden, die die Laufzeiten aufweisen, die diesen Grenzwert gemäß dem Laufzeithistogramm überschreiten und somit aller Wahrscheinlichkeit nach auch auf die Reflexion von vom LIDAR- Sensor selbst ausgesandten Messlichtpulsen zurückzuführen sind. Ein solcher geeigneter Schwellwert kann beispielsweise, wie bereits erwähnt, ein Vielfaches des Mittelwerts der
Histogrammhäufigkeiten sein.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch einen LIDAR-Sensor, der dazu ausgelegt ist, wiederholt Messungen in einem
jeweiligen Messzeitfenster durchzuführen, zu Beginn von welchem zumindest ein Messlichtpuls mit zumindest einer vorbestimmten Wellenlänge durch den LIDAR-Sensor ausgesendet wird und überprüft wird, ob innerhalb des Messzeitfensters ein Lichtpuls mit der zumindest einen vorbestimmten
Wellenlänge vom LIDAR-Sensor erfasst wird. Weiterhin ist der LIDAR-Sensor dazu ausgelegt, einen zeitlichen Abstand
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messzeitfenstern zu variieren .
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für den erfindungsgemäßen LIDAR-Sensor. Darüber hinaus ermöglichen die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und seinen Ausgestaltungen genannten
Verfahrensschritte die Weiterbildung des erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors durch weitere gegenständliche Merkmale.
Insbesondere weist der LIDAR-Sensor eine Steuereinrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines seiner
Ausgestaltungen auszuführen.
Weiterhin kann der LIDAR-Sensor beispielsweise dazu
ausgebildet sein, Lichtpulse mit einer Wellenlänge
auszusenden, die vorzugsweise im Bereich zwischen
850 Nanometern und 1600 Nanometern liegt, oder zum Beispiel bei 905 Nanometern oder 1064 Nanometern oder 1548 Nanometern oder 5600 Nanometern oder 8100 Nanometern. Denkbar sind jedoch auch andere Wellenlängen, wie beispielsweise
600 Nanometer, 650 Nanometer, 700 Nanometer, 750 Nanometer, 800 Nanometer oder 850 Nanometer. Weiterhin kann der LIDAR- Sensor dazu ausgebildet sein, Lichtpulse mit einer Frequenz zwischen ein Kilohertz und ein Megahertz zu emittieren, vorzugsweise mit einer Frequenz kleiner als 100 Kilohertz. Darüber hinaus kann die Erfassungsreichweite des LIDAR- Sensors zwischen einigen Zentimetern, zum Beispiel 20
Zentimetern, bis hin zu 300 Metern, unter Umständen auch weiter, betragen. Entsprechend können die Messzeitfenster zum Beispiel zwei Mikrosekunden andauern, was der Laufzeit eines Lichtpulses im Falle einer Reflexion an einem 300 Meter entfernten Objekt entspricht. Die jeweiligen Messzeitfenster müssen jedoch nicht notwendigerweise immer gleich bleiben, sondern können beispielsweise auch dynamisch an die
Entfernung kürzlich detektierter Objekte angepasst werden.
Die einzelnen Lichtpulse können dabei eine Länge von wenigen Nanosekunden aufweisen, wie beispielsweise eine Nanosekunde, fünf Nanosekunden, zehn Nanosekunden, 15 Nanosekunden,
20 Nanosekunden, und so weiter, bevorzugt jedoch kleiner als fünf Nanosekunden. Auch kann der LIDAR-Sensor beispielsweise als Flash-Lidar ausgebildet sein, der seine Auflösung ausschließlich mittels des Detektors erzeugt, der in diesem Fall aus mehreren einzeln auslesbaren und in einer Matrix angeordneten Segmenten besteht. Der LIDAR-Sensor kann auch als Raster-LIDAR ausgebildet sein, der einen Emitter
aufweist, welcher die Messlichtpulse gezielt in verschiedene Raumrichtungen aussendet, insbesondere zeitlich sequentiell, wobei hier als Detektor auch ein Einzelsegment genügt. Auch kann der LIDAR-Sensor als Mischform aus beiden LIDAR-Typen gebildet sein, zum Beispiel so, dass in einer Dimension eine Rasterbewegung erfolgt, die Auflösung in der zweiten
Dimension aber mittels eines in dieser Dimension
winkelselektiven Detektors erreicht wird. Der Emitter des Sensors kann je nach Ausführungsbeispiel entweder aus einem einzelnen Emitter oder einer ein- oder zweidimensionalen Emittermatrix, deren Teile jeweils einzeln angesteuert werden können, bestehen. Grundsätzlich können sowohl Streifenemitter als auch VCSEL-Typen, bspw. VCSEL und VECSEL, das heißt
Oberflächenemitter, zum Einsatz kommen. Die
Lichtquellenemitter können damit also grundsätzlich sowohl als LEDs als auch als Laserdioden bereitgestellt sein. Die einzelnen, durch einen solchen Emitter emittierten Lichtpulse können dabei eine Leistung im Bereich von einigen Milli-Watt (VCSEL) und zwischen 30 Watt und 200 Watt (VECSEL) aufweisen.
Der erfindungsgemäße LIDAR-Sensor oder eine seiner
Ausgestaltungen findet vorzugsweise Anwendung bei
Kraftfahrzeugen. Entsprechend soll auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen LIDAR-Sensor oder einer seiner
Ausgestaltungen als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Darüber hinaus kann der LIDAR-Sensor in einem Scheinwerfer des Kraftfahrzeugs, insbesondere in einen Frontscheinwerfer des Kraftfahrzeugs, eingebaut sein. Grundsätzlich sind jedoch den Anwendungsbereichen des erfindungsgemäßen LIDAR-Sensors oder seiner Ausgestaltungen keine Grenzen gesetzt. Dieser kann also beispielsweise auch bei Flugzeugen, Drohnen,
Schiffen, Leuchttürmen, verschwenkbaren
Beleuchtungseinrichtungen im Entertainment- und
Studiobeleuchtungsbereich, oder ähnlichem zum Einsatz kommen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung .
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen :
Fig . 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem LIDAR-Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie ein
entgegenkommendes zweites Kraftfahrzeug mit einem weiteren LIDAR-Sensor;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben eines LIDAR-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem ein zeitlicher Abstand zwischen
Messzeitfenstern stochastisch variiert wird;
Fig. 3 eine grafische Darstellung des vom LIDAR-Sensor in einem Messzeitfenster empfangenen Signals;
Fig. 4 eine grafische Darstellung der zeitlichen Mittelung mehrerer Signale, die während jeweiliger aufeinanderfolgender Messzeitfenster vom LIDAR- Sensor empfangen wurden;
Fig . eine grafische Darstellung eines
Laufzeithistogramms, das auf Basis von Messungen mit einem LIDAR-Sensor gemäß dem Stand der Technik erstellt wurde; und
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines
Laufzeithistogramms, das auf Basis von Messungen mit einem LIDAR-Sensor gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung erstellt wurde.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines
Kraftfahrzeugs 10 mit einem LIDAR-Sensor 12 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung, sowie eines
entgegenkommenden zweiten Kraftfahrzeugs 14 mit einem
weiteren zweiten LIDAR-Sensor 16. Der LIDAR-Sensor 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist einen Emitter 12a zur Emission von Messlichtpulsen A auf, einen Detektor 12b zur Erfassung zumindest eines Teils des reflektierten Messlichtpulses A', welcher an einem Objekt in der Umgebung U reflektiert wurde, wie in diesem Beispiel am entgegenkommenden zweiten Kraftfahrzeug 14, und eine
Steuereinrichtung 12c, die dazu ausgelegt ist, den Detektor 12b auszulesen, die vom Detektor 12b erfassten Signale auszuwerten und auch die Emission der Messlichtpulse A durch den Emitter 12a zu steuern. Die Funktion eines LIDAR-Systems , wie dem hier beschriebenen LIDAR-Sensor 12, beruht auf einer Laufzeitmessung von ausgesandten LichtSignalen, wie den hier ausgesandten Messlichtpulsen A. Treffen diese auf Oberflächen in der Umgebung U des LIDAR-Sensors 12 auf, so wird ein Teil der ausgesandten Leistung in Richtung des LIDAR-Sensors 12 reflektiert, wie dies anhand des reflektierten
Messlichtpulses A' in Fig. 1 dargestellt ist. Dementsprechend kann das Pulsecho, das heißt der hier reflektierte
Messlichtpuls A', mit einem geeigneten Detektor 12b
aufgezeichnet werden. Erfolgt die Aussendung des Pulses A zum Zeitpunkt tO und wird das Echosignal zu einem späteren
Zeitpunkt tl erfasst, dann kann der Abstand d zur
reflektierenden Oberfläche, wie dem hier entgegenkommenden Kraftfahrzeug 14, mit der Laufzeit At = tl - tO nach
d = ^At * c errechnet werden, c ist dabei der Wert der
Lichtgeschwindigkeit. Diese Methode arbeitet sinnvollerweise mit Lichtpulsen, welche unter Verwendung beispielsweise von Halbleiterlaserdioden mit einer Wellenlänge von
905 Nanometern, eine Pulsbreite (FWHM) zwischen
0,1 Nanosekunden und 100 Nanosekunden aufweisen. Im
Allgemeinen kann der LIDAR-Sensor 12 jedoch dazu ausgebildet sein, Messlichtpulse A mit einer beliebigen Wellenlänge zu emittieren, vorzugsweise im infraroten Wellenlängenbereich zwischen 850 Nanometern und 1600 Nanometern, oder auch in anderen Wellenlängenbereichen. Darüber hinaus kann der LIDAR- Sensor 12 verschiedene unterschiedlich gestaltete Sender- und Empfängerkonzepte verwenden, um die Abstandsinformation in verschiedene Raumrichtungen erfassen zu können. Damit wird dann ein zweidimensionales Bild der Umgebung erzeugt, welches für jeden aufgelösten Raumpunkt die vollständigen
dreidimensionalen Koordinaten enthält. Der LIDAR-Sensor 12 kann in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kommen. Beispielhaft ist hier der Einsatz in einem Kraftfahrzeug 10 beschrieben .
Bei einem herkömmlichen LIDAR-Sensor, wie beispielsweise dem LIDAR-Sensor 16 aus Fig. 1, stellt sich bei der in Fig. 1 dargestellten Situation jedoch das Problem, dass es zu einer gegenseitigen Störung der jeweiligen LIDAR-Systeme kommen kann, wenn sich zwei Fahrzeuge, welche jeweils mit einem entsprechenden LIDAR-Sensor 16 ausgestattet sind, aufeinander zu bewegen. In einem solchen Fall kann der erste herkömmliche LIDAR-Sensor 16, der sich dann an der Position des LIDAR- Sensors 12 in Fig. 1 befinden würde, die am entgegenkommenden Fahrzeug 14 reflektierten und dadurch entstandenen
Echosignale erfassen, wie dies auch beabsichtigt ist, darüber hinaus aber unter bestimmten Bedingungen ebenso die von dem zweiten herkömmlichen LIDAR-Sensor 16 des entgegenkommenden Fahrzeugs 14 ausgesandten Lichtpulse. Diese bestimmten
Bedingungen, unter denen dies der Fall sein kann, sind beispielsweise, dass die beiden LIDAR-Systeme im gleichen Wellenlängenbereich arbeiten, was sehr wahrscheinlich ist, da ein Großteil aktuell bekannter LIDAR-Konzepte auf die
Verwendung von 905 Nanometer-Laserdioden setzt. Eine weitere Bedingung ist, dass die Sendepulse des zweiten herkömmlichen LIDAR-Sensors 16 des entgegenkommenden Kraftfahrzeugs 14 innerhalb einer entsprechenden Erfassungszeit des ersten herkömmlichen LIDAR-Sensors 16, das heißt innerhalb eines Messzeitfensters, innerhalb welchem der erste herkömmliche LIDAR-Sensor 16 das Detektorsignal aufzeichnet, eintreffen. Wenn zudem noch die jeweiligen Pulse hinreichend regelmäßig und mit näherungsweise gleicher Pulsfrequenz erzeugt werden, kommt es sogar in wiederholten aufeinanderfolgenden
Messzeitfenstern zur Erfassung von Scheinechos, das heißt den vom zweiten herkömmlichen LIDAR-Sensor 16 erzeugten Pulsen B, durch den ersten herkömmliche LIDAR-Sensor 16. Dies ist vor allem bei baugleichen LIDAR-Systemen wahrscheinlich, aber auch unterschiedliche Systeme, welche beispielsweise die gleichen Laserdioden mit ihren jeweiligen Anforderungen an Pulsfrequenz beziehungsweise Duty-Cycle verwenden, können diese Bedingung erfüllen. Zudem muss die ankommende Pulsleistung des durch den zweiten herkömmlichen LIDAR-Sensor 16 ausgesandten Pulses oberhalb der Detektionsschwelle des ersten herkömmlichen LIDAR-Sensors liegen, was in der in Fig. 1 dargestellten Situation offensichtlich der Fall wäre, da dort ein direkter optischer Pfad zwischen den beiden
herkömmlichen LIDAR-Systemen bestehen würde, wenn sich der erste herkömmliche LIDAR-Sensor 16 an der Stelle des LIDAR- Sensors 12 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung befinden würde. Allerdings ist dies genauso im Fall von
Umgebungsreflexionen möglich. In einer solchen Situation würde also dann der Sendepuls B des zweiten herkömmlichen LIDAR-Sensors 16 bei einem herkömmlichen ersten LIDAR-Sensor 16 ein Scheinobjekt erzeugen. Hierbei können dann zwei Fälle unterschieden werden: Trifft der Sendepuls B des zweiten herkömmlichen LIDAR-Sensors 16 innerhalb der Messzeit, aber später als das Echosignal des eigentlichen vom ersten
herkömmlichen LIDAR-Sensor ausgesandten Messlichtpulses, ein, dann entsteht ein Scheinziel im größeren Abstand als dem tatsächlichen Abstand zwischen den beiden Kraftfahrzeugen, was für die Gefahrenerkennung und Behandlung durch das erste Fahrzeug primär keine Rolle spielt, da hierfür natürlich nur das naheste Ziel relevant ist. Sofern allerdings der erste herkömmlichen LIDAR-Sensor 16 innerhalb eines
Raumwinkelsegments über eine Mehrzielfähigkeit verfügt, mag sich jedoch auch hier eine unerwünschte Auswirkung ergeben. Kritisch ist definitiv der umgekehrte Fall, also der des früheren Eintreffens des Scheinpulses B, da hier ein
Scheinziel im geringeren Abstand als der tatsächliche Abstand zwischen den beiden Kraftfahrzeugen entsteht. Unter Umständen würde damit ein zum Beispiel teilautonom fahrendes Fahrzeug eine unnötig starke Bremsung auslösen, welche wiederum andere Verkehrsteilnehmer gefährden könnte.
Dieses Problem wird nun durch die Erfindung
vorteilhafterweise dadurch gelöst, dass die Zeitbasis der Pulserzeugung des LIDAR-Sensors 12 variiert wird,
insbesondere stochastisch variiert wird, was in Fig. 2 veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt dabei eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum
Betreiben eines LIDAR-Sensors 12. Hierbei sendet der LIDAR- Sensor 12 wiederholt zu Beginn von jeweiligen
Messzeitfenstern M jeweilige Messlichtpulse A aus. Weiterhin wird während dieser jeweiligen Messzeitfenster M überprüft, ob innerhalb dieser Messzeitfenster M ein Lichtpuls A' empfangen wurde. Die jeweiligen Messzeitfenster M können beispielsweise eine Länge von zwei Mikrosekunden aufweisen, was einer maximalen Erfassungsreichweite von 300 Metern entspricht. Je nach gewünschter maximaler
Erfassungsreichweite können die Messzeitfenster M aber auch andere Längen aufweisen. Weiterhin weisen die jeweiligen aufeinanderfolgenden Messzeitfenster M einen zeitlichen
Abstand Dl, D2, D3 zueinander auf. Je nach verwendeten
Lichtquellen des LIDAR-Sensors 12 sollten die jeweiligen Beginnzeitpunkte tO, t2, t3, t4 der jeweiligen
Messzeitfenster M einen bestimmten zeitlichen Mindestabstand Dmin nicht unterschreiten. Weiterhin werden die jeweiligen Beginnzeitpunkte tO, t2, t3, t4, vorzugsweise unter
Einhaltung dieses zeitlichen Mindestabstands Dmin, und damit die Aussendung eines jeweiligen Messlichtpulses A zeitlich stochastisch variiert. Hierzu kann ein Zeitintervall
festgelegt werden, welches eine maximale Variationsamplitude v definiert. Dies bedeutet, dass der Beginnzeitpunkt tO, t2, t3, t4 zufällig, aber innerhalb dieses maximalen
Variationsintervalls v liegend, gewählt wird. Hierbei wurde exemplarisch eine Variationsamplitude v gewählt, die der Hälfte eines jeweiligen Messzeitfensters M entspricht, jedoch sind sowohl kleinere als auch größere Werte möglich. Zudem ist hier diese maximale Variationsamplitude v mit Bezug auf einen vorbestimmten Zeitpunkt festgelegt, nämlich in
Abhängigkeit von dem Beginnzeitpunkt tO, t2, t3, t4 des jeweils vorhergehenden Messzeitfensters M, insbesondere so, dass gewährleistet ist, dass der Mindestabstand Dmin von jeweiligen aufeinanderfolgenden Beginnzeitpunkten tO, t2, t3, t4 eingehalten wird. Dies kann beispielsweise dadurch
bewerkstelligt werden, dass sich die maximale Variationsamplitude v zeitlich direkt dem zeitlichen
Mindestabstand Dmin zum Beginnzeitpunkt tO, t2, t3, t4 des vorhergehenden Messzeitfensters M anschließt. Es sind aber auch beliebig andere Ausgestaltungen denkbar.
Diese Variation des zeitlichen Abstands Dl, D2, D3,
insbesondere die stochastische Variation, ermöglicht es in vorteilhafter Weise, zwischen auf den vom LIDAR-Sensor 12 selbst ausgesandten Messlichtpulsen A beruhenden Echos A' und Scheinechos, die von anderen LIDAR-Sensoren gesendete
Messlichtpulse B darstellen, zu unterscheiden, wie
nachfolgend näher erläutert wird. Grundlage ist dabei jeweils eine Einzelmessung, wie sie zum Beispiel in Fig. 3
schematisch dargestellt ist.
Fig. 3 zeigt dabei eine grafische Darstellung eines vom
LIDAR-Sensor 12 während eines Messzeitfensters M empfangenen Signals 18a. An der Abszisse ist dabei die Zeit t in
Nanosekunden ab dem Beginnzeitpunkt tO des Messzeitfensters M aufgetragen und an der Ordinate die Signalamplitude S. Eine solche Einzelmessung beginnt also mit der Aussendung eines Messlichtpulses A zum Beginnzeitpunkt tO eines
Messzeitfensters M. Bei einer typischen Einzelmessung wird sich innerhalb einer solchen Einzelmessung auf einem
Rauschgrund 20 ein klar erkennbarer Puls A' nach der Laufzeit At ergeben. Hierdurch lässt sich die Laufzeit At bestimmen und daraus der Abstand zu einem Objekt, durch welches dieser Messlichtpuls A reflektiert wurde. Um den Störabstand, zum Beispiel bei einem Signal-zu-Rausch-Verhältnis kleiner zwei, zu verbessern, kann es zudem vorteilhaft sein, mehrere solcher Einzelmessungen, das heißt mehrere solche in
aufeinanderfolgenden Messzeitfenstern M empfangene Signale 18a, zu mittein, wodurch ein gemitteltes Messsignal 18b, wie dies in Fig. 4 exemplarisch für die Mittelung von fünf aufeinanderfolgenden Messungen dargestellt ist,
bereitgestellt wird. Es können aber auch mehr als fünf aufeinanderfolgende Messungen gemittelt werden, vorzugsweise zwischen fünf und 100. Auch in Fig. 4 ist wiederum an der Abszisse die Zeit t in Nanosekunden ab den jeweiligen
Beginnzeitpunkten tO der gemittelten Messzeitfenster M aufgetragen und an der Ordinate die Signalamplitude S des sich ergebenden gemittelten Messsignals 18b.
Beträgt die Pulsfrequenz, mit welcher die einzelnen
Messlichtpulse A im zeitlichen Mittel ausgesandt werden, zum Beispiel 100 Kilohertz und werden 100 aufeinanderfolgende Messungen zu einem gemittelten Messsignal 18b
zusammengefasst, dann liegt die Gesamtmessdauer in diesem Beispiel bei einer Millisekunde. Ausgehend von einer
Geschwindigkeit beider entgegenkommender Kraftfahrzeuge 10,
14 von 100 km/h ergibt sich eine Relativbewegung von
56 Millimetern pro Millisekunde, was im Bereich der
Abstandsmessgenauigkeit eines typischen LIDAR-Systems liegt. Damit kann in den meisten Situationen auch im Falle einer Mittelung von 100 Einzelmessungen immer noch von einem quasi statischen Fall ausgegangen werden, das heißt dass sich der Abstand beider Fahrzeuge 10, 14 zueinander innerhalb der
Gesamtmessdauer nicht relevant verändert.
Aus den letztendlich vom LIDAR-Sensor 12 in jeweiligen
Messzeitfenstern M empfangenen Signalen 18a beziehungsweise gemittelten Messsignalen 18b kann nun der Abstand zu einem Objekt wie folgt ermittelt werden: Dabei wird der Begriff „Einzelmessung" im Folgenden für die Bestimmung nur eines Wertes für die Laufzeit At verwendet, unabhängig davon, ob dieser Wert für die Laufzeit At auf Basis des empfangenen Signals 18a in nur einem Messzeitfenster M oder auf Basis mehrerer gemittelter Signale, die letztendlich das gemittelte Messsignal 18b bereitstellen, erfolgt. Derartige
Einzelmessungen werden nun fortwährend wiederholt, sodass sich ein Ensemble von jeweiligen Laufzeiten At ergibt. Wie viele Einzelmessungen dabei gesammelt werden, hängt von den genauen Erfordernissen und der Gestaltung des LIDAR-Systems ab. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Messdauer des
Datenensembles nur eine Zeitspanne erfordert, innerhalb derer im Hinblick auf die erforderliche Genauigkeit der Abstandsmessung von einer quasi-statischen Situation
ausgegangen werden kann. Ansonsten würden sich die Werte des Ensembles über die Zeit hinweg verändern, was zumindest die Messgenauigkeit reduzieren würde. Zur Ermittlung des Abstands zu einem Objekt werden nun die jeweiligen Werte der so ermittelten Laufzeiten At in einem Histogramm 24 (vgl. Fig.
6) aufgetragen. Wären alle Einzelwerte des Ensembles der Laufzeiten At identisch, dann ergäbe sich eine einzelne
Histogrammlinie der Höhe n, im Fall, dass das Ensemble aus n Einzelmessungen gebildet ist, wobei n eine ganze Zahl
darstellt. Realistischerweise ergibt sich aus
Messungenauigkeiten jedoch eine endliche Verteilungsbreite 5A vgl. Fig. 6) im Histogramm 24.
In dem Fall, dass ein herkömmlicher LIDAR-Sensor zusätzlich zu den eigentlichen Echos auch Scheinechos eines anderen LIDAR-Sensors empfängt, ergibt sich ein Laufzeithistogramm 22, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. An der Abszisse ist dabei die Laufzeit At in Nanosekunden aufgetragen und an der Ordinate die Häufigkeiten C. Da also zusätzlich zu den vom herkömmlichen LIDAR-Sensor 16 eigens ausgesendeten
Messlichtpulsen, die dann zu den in Fig. 1 mit A bezeichneten Messlichtpulsen korrespondieren würden, auch die von einem weiteren herkömmlichen LIDAR-Sensor 16 ausgesendeten
Messlichtpulse B empfangen wurden, ergeben sich in diesem Fall zwei Peaks PA, PB. Hierbei bezeichnet PA den Peak, welcher auf die vom herkömmlichen LIDAR-Sensor 16 eigens ausgesendeten Messlichtpulse zurückzuführen ist, während der mit PB bezeichnete Peak auf den Empfang der Messlichtpulse B des weiteren herkömmlichen LIDAR-Sensors 16 des
entgegenkommenden Kraftfahrzeugs 14 zurückzuführen ist. Je nach Konstellation kann sich dieser weitere Peak PB an verschiedenen Punkten der Zeitachse At befinden. In Fig. 5 ist der Fall dargestellt, dass beide Messlichtpulse A, B der beiden herkömmlichen LIDAR-Sensoren 16 gleichzeitig
ausgesandt wurden. Damit entsteht also ein Scheinobjekt im halben Abstand. In dem Fall, dass die Zeitbasen beider herkömmlicher LIDAR-Systeme um eine Konstante gegeneinander verschoben sind, würde das Scheinecho entsprechend an einem anderen Punkt auf der Zeitachse At landen, was aber für die prinzipielle Diskussion unerheblich ist.
Im Gegensatz dazu ermöglicht es die Erfindung, die Erfassung eines solchen Scheinobjekts zu vermeiden, indem die
jeweiligen zeitlichen Abstände Dl, D2, D3 zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Messzeitfenstern M variiert,
insbesondere stochastisch variiert werden. Wird also nun in der gewählten Situation die Zeitbasis des LIDAR-Sensors 12, das heißt die Pulsaussendung und der Start der Messzeit, stochastisch variiert, dann werden die regelmäßig
eintreffenden Pulse eines anderen LIDAR-Sensors 16 auf der die Laufzeiten At angebenden Zeitachse des entsprechenden Laufzeithistogramms 24 verteilt, wie dies in Fig. 6
schematisch dargestellt ist, sodass sie eine Art Untergrund bilden und damit das eigentlich relevante Echosignal
problemlos diskriminiert werden kann. Auch hier ist wieder an der Abszisse die Laufzeit At in Nanosekunden aufgetragen und an der Ordinate die Häufigkeiten C. Insbesondere sind dabei nun die entsprechenden Laufzeiten At der Scheinpulse B, die die Verteilung PB im Laufzeithistogramm 24 bilden, über ein Laufzeitintervall verteilt, welches zur Variationsamplitude v korrespondiert. Um also eine gute Unterscheidungsmöglichkeit zwischen solchen Scheinpulsen und tatsächlichen Pulsen bereitzustellen, ist es entsprechend vorteilhaft, wenn die Variationsamplitude v größer ist, insbesondere viel größer ist, als die Breite 5A der zu den eigenen Messlichtpulsen A korrespondierenden Histogrammverteilung PA. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Variationsamplitude v zwischen dem Fünffachen und dem Hundertfachen der Breite 5A der Verteilung PA gewählt ist. Die Breite 5A dieser
Verteilung PA hängt wiederum von der Messqualität und der Messgenauigkeit des verwendeten LIDAR-Sensors 12 ab. Diese kann beispielsweise experimentell ermittelt werden oder als entsprechender Schätzwert vorgegeben sein. Da die aktuelle Messqualität auch unter Umständen von Umgebungsparametern beeinflusst werden kann, wie zum Beispiel der Umgebungshelligkeit und Störlicht oder der Entfernung von erfassten Objekten, ist es beispielsweise auch vorteilhaft, wenn die Variationsamplitude v keinen fest vorgegebenen Wert darstellt, sondern beispielsweise in Abhängigkeit von einem aktuellen Qualitätsparameter des LIDAR-Sensors 12 variiert wird. Ein solcher Qualitätsparameter kann beispielsweise die aktuelle Messgenauigkeit repräsentieren und zum Beispiel in Abhängigkeit vom aktuellen Signal-zu-Rausch-Verhältnis oder ähnlichem bestimmt werden. Auch kann dieser
Qualitätsparameter in Abhängigkeit von einer oder mehreren oben genannten die Messgenauigkeit beeinflussenden Größen bestimmt werden.
Ein mögliches Kriterium zur Diskriminierung des Scheinpulses könnte einen auf den Mittelwert der Histogrammhäufigkeiten C normierter Schwellwert SW verwenden, zum Beispiel derart, dass nur Histogrammwerte für die Peakerkennung und damit die Laufzeitmessung herangezogen werden, deren Häufigkeiten C größer sind als das Doppelte des Mittelwerts der
Histogrammhäufigkeiten C. Ein solcher Schwellwert SW ist exemplarisch ebenfalls in Fig. 6 dargestellt. Zur Bestimmung der zeitlichen Peaklage könnte im Anschluss einfach die zeitliche Position des Maximalwerts des Histogrammwertes herangezogen werden.
Zur Bereitstellung der stochastischen Variation der Abstände Dl, D2, D3 zwischen den jeweiligen aufeinanderfolgenden
Messzeitfenstern M können Zufallszahlen, insbesondere gleich verteilte Zufallszahlen, verwendet werden oder auch - je nach Quelle der Zufallszahlen - andere Verteilungen gewählt werden. Als Quelle der Zufallszahlen können Standardverfahren aus der Computertechnik, welche beispielsweise auf Fibonacci- Reihen beruhen, aber auch physikalische Quellen wie das thermische Rauschen eines Widerstandes verwendet werden.
Insgesamt lassen sich so ein LIDAR-Sensor und ein Verfahren zum Betreiben eines LIDAR-Sensors bereitstellen, welche es durch die zeitliche Variation der Abstände zwischen jeweiligen Messzeitfenstern ermöglichen, Störungen durch Signalpulse anderer LIDAR-Systeme effektiv zu unterdrücken. Besonders vorteilhaft ist dabei vor allem eine stochastische Variation der Abstände, da hierdurch zusätzlich auch
Störungen durch baugleiche LIDAR-Sensoren noch effektiver unterdrückt werden können.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Kraftfahrzeug
12 LIDAR-Sensor
12a Emitter
12b Detektor
12c Steuereinrichtung
14 zweites Kraftfahrzeug
16 zweiter LIDAR-Sensor
18a empfangenes Signal
18b gemitteltes Messsignal
20 Rauschgrund
22 Laufzeithistogramm
24 Laufzeithistogramm
A Messlichtpuls
A' reflektierter Messlichtpuls
B Lichtpuls des zweiten LIDAR-Sensors
C Häufigkeit
Dl, D2, D3 zeitlicher Abstand
Dmin zeitlicher Mindestabstand
M Messzeitfenster
PA Laufzeitverteilung der Pulsechos des LIDAR- Sensors
PB Laufzeitverteilung der Scheinechos
S Signalamplitude
SW Schwellwert
U Umgebung
V Variationsamplitude
tO, t2, t3, t4 Beginnzeitpunkte der Messzeitfenster tl Empfangszeitpunkt des Echos
At Laufzeit
ÖA Breite der Laufzeitverteilung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines LIDAR-Sensors (12), der
wiederholt Messungen in einem jeweiligen Messzeitfenster (M) durchführt, zu Beginn von welchem zumindest ein
Messlichtpuls (A) mit zumindest einer vorbestimmten
Wellenlänge durch den LIDAR-Sensor (12) ausgesendet wird, und überprüft wird, ob innerhalb des Messzeitfensters (M) ein Lichtpuls (A') mit der zumindest einen vorbestimmten Wellenlänge vom LIDAR-Sensor (12) erfasst wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein zeitlicher Abstand (Dl, D2, D3) zwischen zwei
aufeinander folgenden Messzeitfenstern (M) variiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zeitliche Abstand (Dl, D2, D3) zwischen den zwei aufeinander folgenden Messzeitfenstern (M) stochastisch variiert wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zeitliche Abstand (Dl, D2, D3) derart variiert wird, dass jeweilige Beginnzeitpunkte (tO, t2, t3, t4) zweier aufeinanderfolgender Messzeitfenster (M) einen
vorbestimmten zeitlichen Mindestabstand (Dmin) zueinander aufweisen .
4. Verfahren Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zeitliche Abstand (Dl, D2, D3) derart variiert wird, dass die Beginnzeitpunkte (tO, t2, t3, t4) einen
zeitlichen Abstand zueinander aufweisen, der größer ist als das zeitlich erste zweier aufeinanderfolgender
Messzeitfenster (M) , insbesondere um ein Vielfaches größer .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der zeitliche Abstand (Dl, D2, D3) innerhalb eines vorbestimmten maximalen Zeitintervalls (V) , welches eine maximale Variationsamplitude (V) definiert, variiert wird .
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Größe der maximalen Variationsamplitude (V) in
Abhängigkeit von einem Qualitätsparameter (5A) zur
Charakterisierung der Erfassungsqualität des LIDAR- Sensors (12) festgelegt wird, insbesondere in
Abhängigkeit von einer Auflösung oder einem Signal-zu- Rausch-Verhältnis .
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die maximale Variationsamplitude (V) mit Bezug auf einen vorbestimmten Zeitpunkt festgelegt wird, der in
Abhängigkeit von dem Beginnzeitpunkt (tO, t2, t3, t4) des vorhergehenden Messzeitfensters (M) festgelegt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
während der jeweiligen Messzeitfenster (M) vom LIDAR- Sensor (12) empfangene Signale (18a) ausgewertet werden, wobei eine Mittelung (18b) von den in den
Messzeitfenstern (M) empfangenen Signalen (18a) für eine vorbestimmte Anzahl an Messzeitfenstern (M) , insbesondere aufeinanderfolgenden Messzeitfenstern (M) , durchgeführt wird .
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einer Auswertung eines innerhalb eines jeweiligen Messzeitfensters (M) vom LIDAR-Sensor (12) empfangenen Signals (18a) überprüft wird, ob das empfangene Signal (18a) zumindest einen von einem Rauschsignal (20) verschiedenen Lichtpuls (A', B) mit der zumindest einen vorbestimmten Wellenlänge umfasst, und falls ja, eine Laufzeit (At) des zumindest einen Lichtpulses (A', B) bestimmt wird und die bestimmte Laufzeit (At) in ein Laufzeithistogramm (24) eingetragen wird, wobei in dem Laufzeithistogramm (24) die Häufigkeiten (C) der
Laufzeiten (At) der Lichtpulse (A', B) , die in mehreren, insbesondere aufeinanderfolgenden, Messzeitfenstern (M) empfangen wurden, aufsummiert werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als ein gemitteltes Messsignal (18b) eine Mittelung mehrerer Signale (18a), die in einer vorbestimmten Anzahl aufeinanderfolgender Messzeitfenster (M) empfangen wurden, bereitgestellt wird, wobei bei der Auswertung des gemittelten Messsignals (18b) überprüft wird, ob das gemittelte Messsignal (18b) zumindest einen von einem Rauschsignal (20) verschiedenen Lichtpuls (A', B) mit der zumindest einen vorbestimmten Wellenlänge umfasst, und falls ja, eine Laufzeit (At) des zumindest einen
Lichtpulses (A', B) bestimmt wird und die bestimmte
Laufzeit (At) in ein Laufzeithistogramm (24) eingetragen wird, wobei in dem Laufzeithistogramm (24) die
Häufigkeiten (C) der Laufzeiten (At) der Lichtpulse (A', B) , die aus mehreren, insbesondere aufeinanderfolgenden, gemittelten Messsignalen (18b) bestimmt wurden,
aufsummiert werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Variationsamplitude (V) größer ist als eine mittlere Breite (dA) einer einem Peak (PA) zugeordneten Verteilung im Laufzeithistogramm (24).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis von den in jeweiligen Messzeitfenstern (M) empfangenen Lichtpulsen (A') eine Umgebungsinformation bereitgestellt wird, wobei nur solche Lichtpulse (A') bei der Bereitstellung der Umgebungsinformation
berücksichtigt werden, deren Laufzeiten (At) Häufigkeiten (C) im Laufzeithistogramm (24) aufweisen, die einen vorbestimmten Schwellwert (SW) überschreiten.
13. LIDAR-Sensor (12), der dazu ausgelegt ist, wiederholt
Messungen in einem jeweiligen Messzeitfenster (M)
durchzuführen, zu Beginn von welchem zumindest ein
Messlichtpuls (A) mit zumindest einer vorbestimmten
Wellenlänge durch den LIDAR-Sensor (12) ausgesendet wird, und überprüft wird, ob innerhalb des Messzeitfensters (M) ein Lichtpuls mit der zumindest einen vorbestimmten
Wellenlänge vom LIDAR-Sensor (12) erfasst wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
der LIDAR-Sensor (12) dazu ausgelegt ist, einen
zeitlichen Abstand (Dl, D2, D3) zwischen zwei aufeinander folgenden Messzeitfenstern (M) zu variieren.
14. Kraftfahrzeug (10) mit einem LIDAR-Sensor (12) nach
Anspruch 13.
15. Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 14, wobei der LIDAR- Sensor (12) in einen Scheinwerfer, insbesondere einen Frontscheinwerfer, des Kraftfahrzeugs eingebaut ist.
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