WO2020064061A1 - Verfahren und messvorrichtung zur entfernungsbestimmung - Google Patents

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WO2020064061A1
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reference signal
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measurement
light
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Mathias Müller
Markus Rauscher
Jonas FAUSER
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Blickfeld GmbH
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    • G01S7/497—Means for monitoring or calibrating

Definitions

  • Various embodiments relate to a method for determining the distance of a surrounding object by means of a time-of-flight measurement of light by a measuring device. Further embodiments relate to a measuring device which is designed to carry out the method for determining the distance.
  • the measuring device can be used, for example, in connection with a LIDAR system which is set up to carry out a scanned distance measurement of objects in the vicinity of the measuring device based on laser light.
  • a distance determination or distance measurement of objects is necessary or desirable in various technology fields. For example, in connection with applications of autonomous driving of vehicles in road traffic or in warehouses, it may be necessary to recognize objects in the vicinity of vehicles and, in particular, to determine a distance to the objects.
  • LIDAR Light Detection and Ranging
  • Pulsed laser light is emitted by an emitter.
  • the objects in the area reflect the laser light. These reflections can then be measured.
  • a distance to the objects can be determined by determining the transit time of the laser light.
  • the surroundings can be scanned with laser beams. Such a process is also referred to as "scanning". Depending on the beam angle of the laser light, different objects can be recognized in the environment.
  • the measuring field is divided into an array of measuring points.
  • the measuring points are scanned sequentially, line by line.
  • the alignment of the laser beam to each measuring point can be done by moving the laser or by deflecting the Laser beam done using mirrors.
  • a laser diode can generate a laser pulse that strikes a moving mirror via a beam splitter. This directs the laser pulse over the measuring field.
  • the backscattered laser pulse is guided through the mirror and through the beam splitter into a photodetector and processed there.
  • Flash LIDAR LIDAR camera: With the Flash-Ll DAR, the entire measuring field is simultaneously illuminated with a strongly fanned out laser pulse. The backscattered light is optically imaged on an array of detectors. The distance is determined over the duration of the light. Each array element stands for a line of sight, so a 3-dimensional image of the surroundings can be captured. With the Flash-LIDAR, no deflection device for the laser is required and therefore no moving parts are necessary. However, the light intensity is low at every measuring point and the sensitivity of the system is reduced compared to scanning systems. This can be compensated for by averaging several measurements carried out in succession. However, this can result in blurring of moving objects. In the case of strongly reflecting objects, several detector elements in the surroundings of the reflecting object can also be exposed and can therefore be blind.
  • CW-LIDAR Continous-Wave LIDAR
  • the detector demodulates the received signal and can assign it to a viewing angle.
  • the runtime (phase) and reflectance (light intensity) are determined for each viewing angle.
  • the relative speed to the object in the beam direction can be determined via frequency shift (Doppler effect).
  • Laser pulse LIDAR With pulsed LIDAR systems, the measuring points in the measuring field are scanned sequentially with laser pulses, similar to the scanning LIDAR, although the scanning sequence can be arbitrary, i.e. is not limited to a line-by-line scanning. The time and intensity of the backscattered light are evaluated before the next measuring point is scanned.
  • the backscattered light can be detected by a detector and a corresponding measurement signal can be provided. Due to the short running times of the light, the processing of the measurement signal places high demands on a corresponding measuring device.
  • the measurement signal can be digitized, for example, using a fast analog / digital converter.
  • fast analog / digital converters are very complex and the processing of the high-frequency sampled Signals is very computationally intensive, so that desired processing times, such as those required for autonomous driving, require powerful processing devices.
  • An example relates to a method for determining the distance of a surrounding object by means of a time-of-flight measurement of light by a measuring device.
  • a timer is started in connection with the emission of the light.
  • the light can comprise, for example, a pulse of light from a laser.
  • the timer which is also referred to as a timer, can be started, for example, by means of a signal from the laser which indicates the point in time at which the laser generated the light pulse.
  • a reference signal is also generated, which has a predefined signal value that changes over time.
  • a measurement signal from a receiver of the light is recorded. For example, the light pulse can be reflected by a surrounding object and this reflected light pulse can be received by the receiver.
  • a comparison of the measurement signal with the reference signal is also carried out in order to determine at least one cutting time as a function of this comparison.
  • the cutting time indicates a point in time at which a value profile of the measurement signal intersects a value profile of the reference signal.
  • the reference signal can be generated, for example, by means of a digital / analog converter.
  • the reference signal and the measurement signal can each be electrical signals, for example, which are fed to an electrical comparison circuit, which is also referred to as a comparator.
  • the comparator can be used to compare the reference signal with the measurement signal and to read out the timer if the measurement signal has the same value as the reference signal.
  • a distance to the surrounding object is determined based on the at least one cutting time.
  • a starting time of the reflected light pulse can be determined on the basis of the cutting time.
  • digitization is possible of the measurement signal is not required.
  • Characteristic features of the measurement signal such as a rising edge or a falling edge, can be determined from the point in time of cutting or several points in time of cutting. A complex analysis of the measurement signal in a digital processing device can therefore be avoided.
  • multiple measurement signals are generated.
  • the multiple measurement signals include the measurement signal from the receiver and at least one further measurement signal.
  • Additional measurement signals are formed by amplifying the measurement signal from the receiver with a respective factor. For example, a second measurement signal can be formed by doubling the measurement signal provided by the receiver with an amplifier, and a third measurement signal can be formed by quadrupling the measurement signal provided by the receiver with an amplifier. Other gain factors are generally possible.
  • Each measurement signal of the plurality of measurement signals is compared with the reference signal and, depending on the comparison of the respective measurement signal with the reference signal, at least one respective time of cut is determined by means of the timer. There are thus several cutting times available for a light pulse reflected by the surrounding object, which can be viewed in combination with one another in order to be able to determine the starting time of the reflected light pulse more precisely.
  • a respective first cut time can be determined, which indicates when the respective measurement signal exceeds the reference signal.
  • a respective second intersection point can be determined, which indicates when the respective measurement signal falls below the reference signal.
  • a pulse width for the respective measurement signal can be determined on the basis of the respective first cut time and the respective second cut time.
  • a pulse rise time can be determined.
  • a respective cut time which indicates when the respective measurement signal exceeds the reference signal, is determined.
  • At least one pulse rise time is determined from a time difference between the respective cutting times of different measurement signals. The edge of the pulse can be measured in this way.
  • a compensation value for the distance can be determined, for example, on the basis of the pulse width and / or the pulse rise time.
  • the compensation value can be determined, for example, by means of predetermined characteristic curves or compensation curves as a function of the pulse width and / or the pulse rise time. Taking into account the Compensation value can improve the accuracy of the determination of the start time of the reflected light pulse.
  • a pulse height for the measurement signal is determined as a function of the first cutting times and the second cutting times.
  • an intensity of the backscatter can be determined, which can be used to infer a degree of reflection of the surrounding object.
  • the degree of reflection of the surrounding objects in the measured field enables them to be separated. Furthermore, the degree of reflection allows conclusions to be drawn about the type of object and can therefore provide important information for interpreting a captured scene.
  • the reference signal is generated with a digital / analog converter with a downstream low-pass filter.
  • the digital / analog converter can be, for example, a Fast Digital to Analog Converter (FDAC), which has a sample frequency of over 100 MHz, for example 115 MHz.
  • FDAC Fast Digital to Analog Converter
  • the low pass filter can be used to smooth the digitally generated reference signal.
  • the measurement signal can be filtered by the receiver with the aid of a high pass filter in order to filter out possible DC components, for example due to an ambient brightness, from the measurement signal. The filtered reference signal and the filtered measurement signal can then be compared reliably using the comparator.
  • the reference signal can comprise a first time segment in which a signal value of the reference signal has a constant value and a second time segment in which a signal value of the reference signal is reduced with a continuous time.
  • the signal value of the reference signal can be reduced as a function of an exponential function or a quadratic function with a continuous time.
  • the length of the first time segment can be selected, for example, such that reflections of the laser pulse, which are directed, for example, from optical elements of the measuring device directly to the receiver, reach the receiver within the first time segment. As a result, these internal reflections are disregarded and do not interfere with the evaluation of reflections from surrounding objects.
  • the falling course of the reference signal in the second time segment takes into account the decreasing intensity of reflected light pulses from surrounding objects at a growing distance, so that a constant sensitivity of the measuring device can be achieved.
  • the measuring device is designed to carry out the distance determination in different directions with respect to the measuring device.
  • the reference signal is generated depending on a direction of a current distance determination.
  • light pulses can be emitted by a laser in different directions with respect to the measuring device in order to scan the surroundings of the measuring device. Reflections of these light pulses are recorded by the receiver of the measuring device and corresponding measuring signals are output.
  • the optical properties of components in the beam path such as lenses, mirrors or panes, can be different in different directions.
  • the reference signal can be generated as a function of a transmitted light output of the light. Under different measurement conditions, for example in light or dark environments, it may be necessary to adjust the transmitted light output. By taking the transmitted light power into account when generating the reference signal, a high measuring accuracy can be achieved for the different measuring conditions.
  • the measuring device comprises an optical device through which the light emitted by an optical transmitter and an optical signal received by the receiver pass.
  • the optical transmitter can comprise a laser, for example.
  • the optical device can comprise, for example, lenses, mirrors or panes.
  • the reference signal is generated as a function of reflection properties of the optical device.
  • the reference signal can be generated, for example, under nominated conditions, for example at a measuring station, taking into account the reflection property of the optical device.
  • the receiver comprises an arrangement of single-photon avalanche photodiodes (SPAD).
  • the arrangement can comprise an SiPM (Silicon Photo Multiplier). This converts the incident photons of light into an electrical signal, the voltage of which is measured. The measured voltage increases with the intensity of the incident light. With a SiPM, one photon is sufficient to generate a measurable signal. This enables a high sensitivity of the receiver to be achieved.
  • a measuring device which is designed to determine a distance to a surrounding object by means of a time-of-flight measurement of light comprises an optical receiver, a timer, a reference signal generating device, a comparator and a processing device.
  • the optical receiver provides a measurement signal depending on the light received.
  • the reference signal generating device generates a reference signal, for example an electrical signal with a predetermined time-varying signal value.
  • the comparator for example a comparison circuit for comparing electrical voltages, is coupled to the optical receiver and the reference signal generating device and generates a comparison signal as a function of the measurement signal and the reference signal.
  • the processing device is designed to start the timer in connection with the emission of the light and to control the reference signal generating device in order to generate the reference signal with the predefined signal value which changes over time.
  • the processing device determines at least one cutting time on the basis of the comparison signal from the comparator.
  • the cutting time indicates a point in time at which a value profile of the measurement signal intersects a value profile of the reference signal.
  • the cut time is determined based on the timer.
  • a distance is determined based on the at least one cutting time.
  • the measuring device is thus suitable for carrying out the method described above or one of its embodiments and therefore also includes
  • FIG. 1 schematically shows an arrangement which is set up to carry out a scanned distance measurement of objects in the vicinity of the arrangement according to various embodiments, the arrangement having an emitter for laser light, a receiver for laser light and a LIDAR measuring device.
  • FIG. 2 shows schematically details of the LIDAR measuring device of FIG. 1.
  • FIG. 3 schematically shows a flow diagram with method steps for determining the distance of an object by means of a time-of-flight measurement of light according to various embodiments.
  • FIG. 4 schematically shows a measurement signal from a receiver for laser light without backscattering from a surrounding object and a reference signal.
  • FIG. 5 schematically shows a measurement signal from a receiver for laser light with backscattering from a surrounding object and a reference signal
  • FIG. 6 schematically shows several measurement signals of a backscattering of a light pulse from a surrounding object and a reference signal.
  • FIG. 7 schematically shows a plurality of measurement signals from a further backscattering of a light pulse from a surrounding object and a reference signal.
  • FIG. 8 schematically shows a graph for compensation values, which depend on a pulse width.
  • FIG. 9 shows schematically a determination of a pulse rise time of a backscattering of a light pulse from a surrounding object using several measurement signals and one reference signal.
  • FIG. 10 schematically shows a graph for compensation values which depend on a pulse rise time.
  • FIG. 11 schematically shows a determination of a pulse height of a backscattering of a light pulse from a surrounding object using several measurement signals and a reference signal.
  • the following technologies can, for example, enable two-dimensional scanning of light or one-dimensional scanning of light.
  • the scanning can refer to periodic movement of the light between different positions (scanning area).
  • laser light For example, coherent or incoherent laser light can be used. It would be possible to use polarized or unpolarized laser light. For example, it would be possible for the laser light to be used in a pulsed manner. For example, short laser pulses with pulse widths in the range of femtoseconds or picoseconds or nanoseconds can be used.
  • the laser light can have a wavelength in the range from 700 to 1800 nm.
  • LIDAR techniques can be used in various examples.
  • the LIDAR techniques can be used to carry out a spatially resolved distance measurement of objects in the area.
  • FIG. 1 shows an exemplary arrangement 100 which is set up to carry out a scanned distance measurement to surrounding objects, for example a vehicle 200, using short laser pulses in accordance with LIDAR technologies.
  • the short laser pulses can have a duration of 8 ns, for example.
  • a laser diode with a wavelength of 905 nm can be used as the laser source 101. This wavelength is well suited for use in road traffic because many materials unite at this wavelength have a high relative reflectance. In addition, the intensity of disturbing daylight at 905 nm is relatively low.
  • the intensity of the laser light can be limited so that the arrangement 100 fulfills laser safety requirements, for example laser class 1.
  • the arrangement 100 is therefore eye-safe.
  • the energy of a laser pulse is then, for example, 500 nJ.
  • a short laser pulse is emitted.
  • the laser source 101 can signal the exact point in time at which the laser pulse was emitted by the laser source 101. This process can be repeated for example at 300 kHz.
  • a laser beam 118 generated in this way can be collimated by a lens system 103 and then sent through a diaphragm 104 to a beam splitter 105.
  • the aperture 104 serves to limit the laser beam 118 to the usable part of the beam splitter 105.
  • the arrangement 100 does not emit an ideally parallel light beam, for example.
  • the laser beam 118 can have an expansion of 7 mrad, that is to say that at a distance of 100 m, the laser beam 118 has a beam diameter of approximately 70 cm.
  • the laser beam 118 is then deflected by two mirrors 107 and 108 in the horizontal and vertical directions.
  • the two mirrors can, for example, be set into a vibration with the same frequency (eg 160 Hz) by a MEMS 109, 1 10 (Micro-Electro-Mechanical System).
  • the horizontally deflecting mirror 107 oscillates with a constant amplitude.
  • the laser beam 118 is deflected in the horizontal direction by, for example, ⁇ 30 °.
  • the horizontal opening angle of the LIDAR is 60 °.
  • the mirror 108 for the vertical deflection oscillates with a linearly increasing amplitude until the maximum vertical deflection of the laser beam 118 is reached (for example ⁇ 15 °). That is, the vertical opening angle is 30 °.
  • a measuring point in the measuring field describes elliptical movements.
  • the horizontal semi-axis of the ellipses is constant (eg 30 °) ⁇
  • the vertical semi-axis changes linearly from zero to 15 °.
  • the shape of the resulting measuring field describes an opening eye.
  • the so recorded Measuring points form an image (frame). They can be converted into a three-dimensional image of the surroundings in the area of the opening angle. This process can be repeated periodically. This creates a chronological sequence of three-dimensional images of the surroundings.
  • a frame can typically have 40,000 pixels.
  • a frame can take 150 ms, for example.
  • the laser beam 118 can be reflected by an object 200 in the vicinity of the arrangement 100. It is scattered and loses intensity depending on the degree of reflection. A small part of a reflected laser beam 112 comes back to the beam splitter 105 via the same beam path via the two mirrors 107, 108.
  • the beam splitter 105 is, for example, a mirror which reflects the outgoing laser beam and on which the reflected laser beam passes.
  • the light that passes the beam splitter 105 is directed into the receiver 106 via a plurality of optical elements (diaphragm 114 and collimator 11). This converts the incident photons of light into an electrical signal, the voltage of which is measured. The measured voltage increases with the intensity of the incident light. With a SiPM, one photon is sufficient to generate a measurable signal.
  • the measured signal can be transmitted as a measurement signal via a connection 11 from the receiver 106 to the measurement device 102.
  • interfering reflections arise in the arrangement 100 and are detected by the receiver 106.
  • the reflections occur, for example, at the diaphragms 104, 114, at the beam splitter 105 and at a glass pane 115 on a housing of the arrangement 100 through which the laser beam 118 is emitted.
  • Multiple reflections allow photons to reach receiver 106.
  • This interference pulse controls the receiver 106 and covers, for example, the useful signals in the first 100 ns, for example reflections from the object 200 in the measurement field.
  • FIG. 4 shows, by way of example, a measurement signal 601 provided by the receiver 106, which only indicates reflections within the arrangement 100, that is to say that outside the arrangement 100 the laser beam 118 has not hit an object and thus no backscattered laser light 112 from objects outside the arrangement 100 hits the receiver 106.
  • the arrangement 100 cannot recognize any objects in the close range. With a lower amplification or better attenuation of the self-reflection, however, an object detection in the close range would also be possible.
  • the receiver 106 receives a noise signal which is caused by daylight. This signal can be further affected by the downstream electronics, for example amplifiers.
  • FIG. 5 shows an example of a measurement signal 601 from the receiver 106, which has a pulse in the range of approximately 380-430 ns, which is caused by backscattered laser light 112 from an object 200 outside the arrangement 100.
  • the measurement signal 601 of the receiver 106 can be digitized, for example, using a fast analog-to-digital converter (ADC, analog-to-digital converter).
  • ADC analog-to-digital converter
  • this requires a complex converter and a complex processing of the high-frequency sampled signal.
  • the processing of the high-frequency sampled signal in particular can be very time-consuming, as a result of which the achievable frame rate can be influenced.
  • a reference signal 600 is generated which simulates the predefined signal curve of the threshold value curve, which changes over time.
  • This reference signal 600 is compared with the measurement signal 601 using a comparator.
  • cutting times are determined at which a value profile of the measurement signal 601 intersects a value profile of the reference signal.
  • the cutting times are determined based on a timer, which is started in connection with the transmission of the laser pulse.
  • the time of arrival of the laser pulse reflected by an object is determined on the basis of the cutting times, and a distance from the object is calculated therefrom.
  • a plurality of measurement signals can be generated from the measurement signal 601 and these several measurement signals can be compared with the reference signal.
  • FIG. 2 shows details of the measuring device 102 for determining the distance according to the previously outlined method.
  • FIG. 3 shows a flow diagram with corresponding method steps 301-314, which can be carried out by the measuring device 102.
  • the process steps shown in dashed boxes represent optional process steps which may be omitted or may be performed outside of the measuring device 102.
  • the measuring device 102 comprises a processing device 201, for example a digital controller, such as a microprocessor or a digital signal processor, which controls the processes in the measuring device 102 and at least partially in the arrangement 100.
  • a processing device 201 for example a digital controller, such as a microprocessor or a digital signal processor, which controls the processes in the measuring device 102 and at least partially in the arrangement 100.
  • the measuring device 102 further comprises a preamplifier 202, to which the measurement signal 601 from the receiver 106 is fed via the connection 117.
  • the measurement signal amplified by the preamplifier 202 is fed in parallel to further amplifiers 203-205.
  • the amplifier 205 is a simple amplifier, which outputs the preamplified measurement signal 601 essentially amplified by a factor of one.
  • the amplifier 204 is a double amplifier, which outputs the preamplified measurement signal 601 essentially amplified by a factor of two.
  • the amplifier 203 is a quadruple amplifier, which outputs the preamplified measurement signal 601 essentially amplified by a factor of four.
  • the measuring device 102 further comprises a fast digital-to-analog converter (FDAC) 206, which converts digital values supplied via a connection 207 into corresponding analog electrical signal values.
  • FDAC fast digital-to-analog converter
  • the measuring device 102 further comprises three comparators 208-210.
  • Each of the three comparators 208-210 is supplied with the electrical signal generated by the digital-to-analog converter 206. Furthermore, the comparator 208 is fed the measurement signal amplified four times by the amplifier 203.
  • the comparator 209 is supplied with the twice amplified measurement signal from the amplifier 204 and the comparator 210 is supplied with the single amplified measurement signal from the amplifier 205.
  • the comparators 208-210 compare the electrical signal generated by the digital / analog converter 206 with the respective amplified measurement signal supplied by the amplifiers 203-205 and generate a respective output signal, for example a signal pulse or a signal edge, if the respective one of the amplifiers 203 -205 supplied measurement signal cuts the electrical signal generated by the digital-to-analog converter 206, that is, it exceeds or falls below.
  • the output signals of the comparators 208-210 are fed to a time-to-digital converter (TDC).
  • TDC can have, for example, three channels 211-213, each of which is controlled by one of the output signals of the comparators 208-210.
  • three TDCs can be provided, each of one of the output signals of the comparators 208-1 10 can be controlled.
  • the TDC or the plurality of TDCs is started via the connection 116, whereby the TDC or the multiple TDCs are started when the laser pulse is emitted by the laser source 101.
  • Each channel of the TDC or each of the plurality of TDCs provides the processing device 201 with a respective time value if the corresponding channel or TDC is driven by the corresponding output signal of the corresponding comparator 208-210.
  • the time values thus indicate cutting times between the amplified measurement signals and the electrical signal generated by the digital-to-analog converter 206. In this case, both exceeding and falling short of the electrical signal generated by the digital-to-analog converter 206 can be detected and corresponding cutting times can be determined.
  • a laser pulse is emitted from the laser source 101.
  • laser source 101 can be controlled by processing device 201, for example, via connection 11.
  • the laser source 101 uses connection 1 16 to indicate the exact time at which the laser pulse is emitted.
  • This starts a timer (TDC) in step 302, for example with three channels 211-213.
  • TDC timer
  • the generation of the reference signal 600 begins in step 303.
  • the reference signal 600 can be generated, for example, as described above using the fast digital-to-analog converter 206 under the control of the processing device 201.
  • the reference signal 600 can be generated, for example, on the basis of the previously described threshold value signal.
  • the reference signal can additionally be generated as a function of a direction of a current distance determination.
  • the reference signal can be generated as a function of a transmitted light output of the light. Different measurement conditions can thus be taken into account.
  • the receiver 106 continuously generates a measurement signal in step 304, which corresponds to the light intensity received by the receiver 106.
  • the laser pulse generated by the laser source 101 is conducted into the surroundings of the arrangement 100 and possibly reflected there by the object 200.
  • the reflected laser pulse is thus also detected by the receiver 106 in step 304.
  • the measurement signal generated by the receiver 106 can be filtered in step 305 using a high pass filter.
  • step 306 further measurement signals can be generated on the basis of the measurement signal, for example a further measurement signal with double amplification and a further measurement signal with a quadruple amplification.
  • step 307 the measurement signals are compared with the reference signal using the comparators 208- 210 compared.
  • step 308 the time of intersection between the measurement signals and the reference signal is determined as described above using the comparators 208-210 and the TDC channels 21 1-213.
  • steps 309-311 a pulse width (step 309), a pulse height (step 310) and a pulse rise time (step 311) can be determined on the basis of these intersections. Details will be explained below.
  • a compensation value can be determined in step 312 in order to determine the starting time of the reflected laser pulse more precisely.
  • the distance to the object in the vicinity of the arrangement 100 is determined on the basis of the starting time of the reflected laser pulse thus determined.
  • a reflectance of the object from which the laser pulse was reflected can be determined in step 314.
  • the method described above can be carried out continuously.
  • a distance measurement can be carried out in different directions with respect to the arrangement 100, as a result of which the surroundings or an environment of the arrangement 100 can be scanned.
  • the distance s to the object 200 can be calculated.
  • the transit time t is to be divided by two, since the light has to travel twice, first to the object 200 and then back to the arrangement 100.
  • the measurement signal of the receiver 106 is amplified with three different amplification stages 203-205 after preamplification.
  • the three measurement signals generated in this way are then compared using three comparators 208-210 with the threshold value curve, which is generated as a reference signal by the converter 206.
  • a low pass filter can be used to smooth the digitally generated reference signal.
  • the maximum voltage of the FDAC is, for example, 5 V. A rising edge is detected when the reference signal is exceeded, a falling edge when it falls below.
  • the same measurement signal is present in three different gain curves and these are then cut with the same reference signal.
  • the TDC provides a period of time between the laser start and this intersection.
  • the TDC has its own independent channel 21 1-213 for each of the three amplified measurement signals.
  • a short laser pulse is generated, which scans the measuring field.
  • This laser pulse has a pulse width of 8 ns, for example.
  • the shape and intensity of the backscattered pulse, as well as signal offset and noise, are influenced by various factors.
  • the intensity of the backscattered light decreases quadratically with the distance.
  • the degree of reflection of the object to be detected influences what percentage of the incoming light is scattered back. This way, strongly reflecting objects can be perceived better than badly reflecting ones, because less light comes back and they stand out less strongly from the noise.
  • the degree of reflection mainly affects the intensity of the detected pulse.
  • a radiation characteristic of the surface of an object influences how much of the backscattered light is scattered back in the direction of the receiver and can thus be measured again. So there are different radiation characteristics.
  • white paper is a relatively good Lambertian radiator. This means that the radiated intensity depends on the radiated direction. A mirror reflects almost all of the incident light in one direction. If the laser pulse does not hit the reflecting surface vertically, hardly any light is scattered back into the receiver. This makes it clear that the radiation characteristic influences the intensity of the detected pulse.
  • the backscatter is also influenced by the angle at which the laser beam hits the surface of the object.
  • the laser beam widens with increasing distance Arrangement 100 on. With a surface inclined to the laser beam, this results in a shorter transit time at the foremost point of the light spot than at the rearmost point of the light spot.
  • the backscattered pulse is extended by the difference between the two transit times.
  • Daylight has an influence on the noise in the measurement signal of the receiver 106.
  • the measurement signal has an offset and noise.
  • a highly reflective object not only reflects the laser beam very well, it also reflects a lot of daylight and therefore there is more noise and a higher offset for these objects.
  • a badly reflecting object reflects significantly less daylight and there is less noise. If the measuring field has areas with a lot of daylight and other areas with little daylight, for example sunlit areas and shady areas, different sized offsets are created for the scanned points.
  • the threshold value curve cannot be adapted to both levels and it is no longer possible to measure precisely in one of the two areas.
  • the measurement signal of the receiver 106 can be filtered with a high-pass filter. This filters the DC components out of the measurement signal. This means that measurements can be carried out on brightly lit as well as shady areas with the same threshold value curve.
  • the noise of daylight can be largely suppressed with an optical filter that only allows light with the wavelength of the laser pulse to pass through.
  • the transit time of the backscattered light can be determined by determining the start of the rising edge of the reflected light pulse. For this purpose, the intersection of the four-fold amplified measurement signal with the threshold curve can be determined. As can be seen in FIG. 6, the four-fold amplified measurement signal 604 cuts the reference signal 600 first, since the highest amplification has the greatest slope at the beginning of the pulse. Furthermore, FIG. 6 shows the twice amplified measurement signal 602 and the single amplified measurement signal 601 and the corresponding intersection points with the reference signal 600. Since the threshold value curve and thus the reference signal 600 must be above the noise, the times of the amplified measurement signals 601, 602 and 604 is not the start time of the pulse and therefore the measurement can be inaccurate. It can be seen in FIG.
  • the reference signal 600 lies above the noise and therefore does not cut the pulse at the beginning of the pulse.
  • the slope of the detected pulse depends on the intensity and pulse width. In the case of a very steep signal rise, as shown in FIG. 6, the transit time can be determined with sufficient accuracy on the basis of the point of intersection with the reference signal. With a flatter signal curve, this method can be too imprecise, as shown in FIG. 7.
  • a technique based on an algorithm called walk-error compensation can be used to improve the determination of the start time of the pulse (see also Kurtti, Sami, Jan Nissinen and Juha Kostamovaara: A wide dynamic ranks CMOS laser radar receiver with a time-domain walk error compensation scheme. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 64 (3): 550-561, 2017). This algorithm compensates for the walk error, that is, the time offset caused by different steepnesses between reaching a threshold value and the start time of the pulse.
  • compensation tables or compensation curves can be created by means of measurements, which describe the relationship between characteristic parameters of the measured pulse and the walk error.
  • Two intersection points are determined for each pulse, for which the pulse intersects the reference signal 600.
  • FIGS. 6 and 7 show, for example, the intersection points 604A and 604B for the four-fold amplified measurement signal 604.
  • For each pulse its pulse width is determined on the basis of its two intersection points.
  • a walk error can now be determined based on the pulse width.
  • FIG. 8 schematically shows an example of a compensation curve 701, which shows the walk error depending on the pulse width.
  • the starting time of the pulse can be determined by subtracting the determined walk error from the point of intersection of the rising edge of the pulse with the reference signal.
  • the pulse width can be determined for each amplification level.
  • the corresponding walk error can now be determined with the pulse width on the basis of gain-dependent compensation curves.
  • several walk error compensation values can be determined, for example three walk error compensation values at three gain levels, which can be averaged.
  • Another possibility is to use the rise time of the pulse as a parameter instead of the pulse width and to estimate the walk error on the basis of the pulse rise time.
  • FIG. 9 shows a determination of pulse rise times from the intersection times of the measurement signals 601, 602 and 604 with the reference signal 600.
  • the respective intersection times indicate when the respective measurement signal 601, 602, 604 exceeds the reference signal 600.
  • three Rise times are calculated: ⁇ t 4 2, ⁇ t 4i and ⁇ t2i.
  • the reference signal 600 can be regarded as essentially constant in the period of the three intersection points under consideration.
  • the rise times result from the time differences between the intersections of the measurement signals 601, 602 and 604 with the reference signal 600. With more or less than the three measurement signals 601, 602 and 604 shown, correspondingly more or less rise times result.
  • the simply amplified measurement signal 601 does not intersect the reference signal 600, so that only the rise time ⁇ t 4 2 can be calculated.
  • the rise time ⁇ t 4 2 there are three pulse rise times, of which only two rise times are subsequently used, since the third rise time results redundantly from the two other rise times. For example, only the rise time At 4 2 and the rise time ⁇ t 4i are considered below .
  • compensation tables or compensation curves can be created that describe the relationship between the rise times and the walk error. Using the compensation curves, a walk error compensation value can then be determined based on the rise times.
  • FIG. 10 schematically shows an example of a compensation curve 801, which shows the walk error compensation depending on the rise time ⁇ t 4 2, and a compensation curve 802, which shows the walk error compensation depending on the rise time ⁇ t 4i .
  • the mean value is formed from the two walk error compensation values and this is subtracted from the point in time at which the four-fold amplified measurement signal 604 intersects the reference value 600. If, for example, the simply amplified measurement signal 601 does not intersect the reference signal 600, only the rise time ⁇ t 4 2 is calculated and a walk error compensation value is determined from a corresponding compensation curve, which from the point in time at which the four-fold amplified measurement signal 604 intersects the reference value 600 deducted. This results in the signal transit time and thus the distance to the object.
  • the walk error compensation values are first determined, as described above. If, due to the small pulse width or the low intensity, no walk error compensation value can be calculated, the intersection of the four-fold amplified measurement signal 604 with the reference value 600 is used as the starting point of the pulse. If only a walk error compensation value can be calculated, this is used. Can a walk error compensation value from the pulse width as well as a walk error compensation value of the rise time can be calculated, for example the lowest of these compensation values, the highest of these compensation values or preferably an average of these compensation values can be used to correct the start time of the pulse.
  • the degree of reflection of the detected object can be inferred from the detection of the intensity of the backscatter. Knowing the degree of reflection of the objects in the detected measurement field, it is possible to separate these objects. In addition, the degree of reflection allows conclusions to be drawn about the type of objects. It can therefore provide important information for interpreting the captured scene. Although there are various factors influencing the intensity of the backscattered light and the intensity is therefore not a clear measure of the degree of reflection of the object, the intensity is nevertheless helpful additional information that allows conclusions to be drawn about the properties of the detected object.
  • the integral of the backscattered pulse is determined for determining the intensity.
  • the measurement signal from the receiver 106 is not digitized in its entirety in the previously described methods.
  • the desired frame rate could not be achieved with digitization throughout the entire process.
  • the evaluation is limited to the detection of cutting times of the measurement signal or a plurality of measurement signals with a predetermined reference signal. Therefore the integration of the measurement signal is not possible.
  • the intensity can be determined approximately on the basis of the cutting times.
  • a pulse width and a rise time can be determined from the cutting times.
  • a pulse height can be determined from the cutting times. The intensity of the backscattered laser pulse can be concluded on the basis of pulse height, pulse width and / or rise time.
  • the cutting times can be used, for example, which result from the cuts of the single, the double and the quadruple amplified measurement signal 601, 602, 604 with the reference signal 600.
  • they In order to be able to offset the cutting times with each other, they must first be transformed to the same scaling.
  • the cutting times of the single amplified measurement signal are multiplied by a factor of 4 and those of the double amplified measurement signal are multiplied by a factor of 2 (if available). Up to three cutting times are on the rising and up to three on the falling edge of the pulse. In FIG.
  • the simply amplified measurement signal 601 does not intersect the reference signal 600, as a result of which there are only two cutting times 602A, 604A on the rising and two cutting times 602B, 604B on the falling edge.
  • the cutting times 602A, 602B are multiplied by a factor of 2, whereby the scaled cutting times 602A 'and 602B' are formed.
  • up to three slope lines can now be determined.
  • up to three slope lines can be determined on the falling flank.
  • the steepest gradient line on the rising flank and the falling flank are used to determine the pulse height.
  • the simply amplified measurement signal 601 does not intersect the reference signal 600, as a result of which only a straight line 61 1 on the rising flank and a straight line 612 on the falling flank can be determined.
  • the intersection 610 of this (steepest) slope line indicates the pulse height.
  • This determination of the pulse height is particularly suitable for backscattered pulses with low to medium intensity.
  • the estimation of the pulse height with the slope lines often works less well because the measurement signal drops very slowly at the end of the pulse and is therefore very flat.
  • the pulse width of a pulse can be determined by means of the intersections of the measurement signal and the reference signal.
  • the intensity of low-intensity pulses can be determined using the pulse width.
  • the estimation of the intensity by means of the pulse width does not work, because the measurement signal does not widen anymore from a certain intensity with increasing intensity.
  • the measurement signal rises more steeply.
  • the slope of the rising flank is therefore a measure of the intensity. It increases monotonically with the intensity of the light received.
  • the intensity cannot be determined from the slope in the physical sense, and therefore not the degree of reflection of the object.
  • the slope is sufficient to differentiate objects with different degrees of reflection and is therefore suitable as a parameter for the intensity of the backscattered light.
  • An intensity value can be determined from the slope as follows.
  • the rise time ⁇ t 4i can be determined, as shown in FIG. 9.
  • the reference signal 600 can be regarded as essentially constant in the area of the cutting times.
  • the slope results from the signal value U of the reference signal in the area of the cutting times 3 U
  • An intensity value can be determined on the basis of the slope rrm from a previously determined assignment, for example a table.
  • An intensity value can be determined on the basis of the slope m 4 2 from a previously determined assignment, for example a table. If only the four-fold amplified measurement signal 604 intersects the reference signal 600, the intensity value is set to a predetermined value, for example to the value 1.

Landscapes

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Abstract

Ein Verfahren zur Entfernungsbestimmung eines Umfeldobjekts (200) mittels einer Laufzeitmessung von Licht (112, 118) durch eine Messvorrichtung (102) umfasst ein Starten (302) eines Zeitgebers (211-213) im Zusammenhang mit dem Aussenden (301) des Lichts (118), ein Erzeugen (303) eines Referenzsignals (600), welches einen vorgegebenen zeitlich veränderlichen Signalwert aufweist, ein Erfassen (304) eines Messsignals (601) eines Empfängers (106) des Lichts (112), ein Durchführen (307) eines Vergleichs des Messsignals (601) mit dem Referenzsignal (600), ein Bestimmen (308) mindestens eines Schnittzeitpunkts (602A, 602 B, 604A, 604 B) in Abhängigkeit von dem Vergleich, wobei der Schnittzeitpunkt (602 A, 602 B, 604 A, 604B) basierend auf dem Zeitgeber (211-213) einen Zeitpunkt anzeigt, zu welchem ein Werteverlauf des Messsignals (601) einen Werteverlauf des Referenzsignals (600) schneidet, und ein Bestimmen (313) einer Entfernung basierend auf dem mindestens einen Schnittzeitpunkt (602 A, 602 B, 604 A, 604 B).

Description

VERFAHREN UND MESSVORRICHTUNG ZUR ENTFERNUNGSBESTIMMUNG
TECHNISCHES GEBIET
Verschiedene Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zur Entfernungsbestimmung eines Umfeldobjekts mittels einer Laufzeitmessung von Licht durch eine Messvorrichtung. Weitere Ausführungsformen betreffen eine Messvorrichtung, welche zur Durchführung des Verfahrens zur Entfernungsbestimmung ausgestaltet ist. Die Messvorrichtung kann beispielsweise in Verbindung mit einem LIDAR-System verwendet werden, welches eingerichtet ist, um basierend auf Laserlicht eine gescannte Abstandsmessung von Objekten im Umfeld der Messvorrichtung durchzuführen.
HINTERGRUND
Eine Entfernungsbestimmung oder Abstandsmessung von Objekten ist in verschiedenen Technologiefeldern notwendig oder wünschenswert. Zum Beispiel kann es im Zusammenhang mit Anwendungen des autonomen Fahrens von Fahrzeugen im Straßenverkehr oder in Lagerhallen erforderlich sein, Objekte im Umfeld von Fahrzeugen zu erkennen und insbesondere eine Entfernung zu den Objekten zu ermitteln.
Eine Technik zur Entfernungsmessung von Objekten ist die sogenannte LIDAR-Technologie (engl. Light detection and ranging). Dabei wird gepulstes Laserlicht von einem Emitter ausgesendet. Die Objekte im Umfeld reflektieren das Laserlicht. Diese Reflexionen können anschließend gemessen werden. Durch Bestimmung der Laufzeit des Laserlichts kann ein Abstand zu den Objekten bestimmt werden.
Um die Objekte im Umfeld ortsaufgelöst zu erkennen, kann die Umgebung mit Laserstrahlen abgetastet werden. Ein solcher Vorgang wird auch als "Scannen" bezeichnet. Je nach Abstrahlwinkel des Laserlichts können dadurch unterschiedliche Objekte im Umfeld erkannt werden.
In Bezug auf das ausgesendete Licht werden können verschiedene LIDAR-Systeme unterschieden werden:
Scannendes LI DAR: Das Messfeld wird in ein Array von Messpunkten aufgeteilt. Die Messpunkte werden sequentiell, zeilenweise abgetastet. Die Ausrichtung des Laserstrahls auf jeden Messpunkt kann über die Bewegung des Lasers oder über die Ablenkung des Laserstrahls mittels Spiegeln erfolgen. Beispielsweise kann eine Laserdiode einen Laserpuls erzeugen, der über einen Strahlteiler auf einen bewegten Spiegel trifft. Dieser lenkt den Laserpuls über das Messfeld. Der zurückgestreute Laserpuls wird über den Spiegel und durch den Strahlteiler in einen Photodetektor geführt und dort verarbeitet.
Flash LIDAR (LIDAR-Kamera): Beim Flash-Ll DAR wird das gesamte Messfeld mit einem stark aufgefächerten Laserpuls gleichzeitig beleuchtet. Das zurückgestreute Licht wird optisch auf ein Array von Detektoren abgebildet. Über die Laufzeit des Lichts wird die Entfernung ermittelt. Jedes Array-Element steht für eine Blickrichtung, somit kann ein 3-dimensionales Abbild der Umgebung erfasst werden. Bei dem Flash-LIDAR ist keine Ablenkvorrichtung für den Laser erforderlich und damit sind keine beweglichen Teile notwendig. Die Lichtintensität ist jedoch an jedem Messpunkt gering und damit ist die Empfindlichkeit des Systems im Vergleich zu scannenden Systemen reduziert. Das kann durch Mitteln mehrerer nacheinander durchgeführter Messungen ausgeglichen werden. Dies kann jedoch zu einer Unschärfe bei bewegten Objekten führen. Bei stark reflektierenden Objekten können mehrere Detektor- Elemente in der Umgebung des reflektierenden Objektes mitbelichtet und dadurch blind sein.
Continous-Wave (CW) LIDAR: Bei CW-LIDAR wird ein modulierter Laserstrahl kontinuierlich ausgesendet und mittels Ablenkvorrichtung über das Messfeld bewegt. Der Detektor demoduliert das empfangene Signal und kann es damit einem Blickwinkel zuordnen. Für jeden Blickwinkel werden Laufzeit (Phase) und Reflexionsgrad (Lichtintensität) ermittelt. Zusätzlich kann über Frequenzverschiebung die relative Geschwindigkeit zum Objekt in Strahlrichtung ermittelt werden (Dopplereffekt).
Laserpuls LIDAR: Bei gepulsten LIDAR-Systemen werden die Messpunkte im Messfeld sequentiell mit Laserpulsen abgetastet, ähnlich dem scannenden LIDAR, wobei jedoch die Abtastreihenfolge beliebig sein kann, also nicht auf eine zeilenweise Abtastung begrenzt ist. Laufzeit und Intensität des zurückgestreuten Lichts werden ausgewertet, bevor der nächste Messpunkt abgetastet wird.
Insbesondere bei einem scannenden LIDAR oder einem Laserpuls LIDAR kann das zurückgestreute Licht von einem Detektor erfasst werden und ein entsprechendes Messsignal bereitgestellt werden. Aufgrund der kurzen Laufzeiten des Lichts stellt die Verarbeitung des Messsignals hohe Anforderungen an eine entsprechende Messvorrichtung. Um eine digitale Verarbeitung des Messsignals zu ermöglichen, kann das Messsignal beispielsweise mit einem schnellen Analog-/Digital-Wandler digitalisiert werden. Derartige schnelle Analog-/Digital- Wandler sind jedoch sehr aufwändig und die Verarbeitung des hochfrequent abgetasteten Signals ist sehr rechenintensiv, sodass gewünschte Bearbeitungszeiten, wie sie beispielsweise beim autonomen Fahren erforderlich sind, leistungsfähige Verarbeitungsvorrichtungen erfordern.
ZUSAMMENFASSUNG
Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken zur Entfernungsbestimmung von Umfeldobjekten mittels Laufzeitmessung von Licht. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken, welche zumindest einige der oben genannten Einschränkungen und Nachteile beheben.
Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.
Ein Beispiel betrifft ein Verfahren zur Entfernungsbestimmung eines Umfeldobjekts mittels einer Laufzeitmessung von Licht durch eine Messvorrichtung. Bei dem Verfahren wird ein Zeitgeber im Zusammenhang mit dem Aussenden des Lichts gestartet. Das Licht kann beispielsweise ein Lichtpuls von einem Laser umfassen. Der Zeitgeber, welcher auch als Timer bezeichnet wird, kann beispielsweise mittels eines Signals von dem Laser gestartet werden, welches den Zeitpunkt anzeigt, zu dem der Laser den Lichtpuls erzeugt hat. Bei dem Verfahren wird ferner ein Referenzsignal erzeugt, welches einen vorgegebenen zeitlich veränderlichen Signalwert aufweist. Ein Messsignal eines Empfängers des Lichts wird erfasst. Beispielsweise kann der Lichtpulse von einem Umfeldobjekt reflektiert werden und dieser reflektierte Lichtpuls von dem Empfänger empfangen werden. Bei dem Verfahren wird ferner ein Vergleich des Messsignals mit dem Referenzsignal durchgeführt, um in Abhängigkeit von diesem Vergleich mindestens einen Schnittzeitpunkt zu bestimmen. Der Schnittzeitpunkt zeigt basierend auf dem Zeitgeber einen Zeitpunkt an, zu welchem ein Werteverlauf des Messsignals einen Werteverlauf des Referenzsignals schneidet. Das Referenzsignal kann beispielsweise mittels eines Digital-/Analog-Wandler erzeugt werden. Das Referenzsignal und das Messsignal können beispielsweise jeweils elektrische Signale sein, welche einer elektrischen Vergleichsschaltung, welche auch als Komparator bezeichnet wird, zugeführt werden. Beispielsweise kann mittels des Komparators das Referenzsignal mit dem Messsignal verglichen werden und der Zeitgeber ausgelesen werden, wenn das Messsignal den gleichen Wert wie das Referenzsignal aufweist. Basierend auf dem mindestens einen Schnittzeitpunkt wird eine Entfernung zu dem Umfeldobjekt bestimmt. Beispielsweise kann anhand des Schnittzeitpunkts ein Anfangszeitpunkt des reflektierten Lichtpulses bestimmt werden. Durch die Verwendung des Zeitgebers in Verbindung mit dem Referenzsignal ist eine Digitalisierung des Messsignals nicht erforderlich. Charakteristische Merkmale des Messsignals, wie zum Beispiel eine steigende Flanke oder eine fallende Flanke, können aus dem Schnittzeitpunkt oder mehreren Schnittzeitpunkten ermittelt werden. Eine aufwändige Analyse des Messsignals in einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung kann daher vermieden werden.
Bei einer Ausführungsform werden mehrere Messsignale erzeugt. Die mehreren Messsignale umfassen das Messsignal von dem Empfänger und mindestens ein weiteres Messsignal. Weitere Messsignale werden durch Verstärken des Messsignals von dem Empfänger mit einem jeweiligen Faktor gebildet. Beispielsweise kann ein zweites Messsignal gebildet werden, indem das von dem Empfänger bereitgestellte Messsignal mit einem Verstärker verdoppelt wird, und ein drittes Messsignal kann gebildet werden, indem das von dem Empfänger bereitgestellte Messsignal mit einem Verstärker vervierfacht wird. Andere Verstärkungsfaktoren sind im Allgemeinen möglich. Jedes Messsignal der mehreren Messsignale wird mit dem Referenzsignal verglichen und in Abhängigkeit von dem Vergleich des jeweiligen Messsignals mit dem Referenzsignal wird mittels des Zeitgebers mindestens ein jeweiliger Schnittzeitpunkt bestimmt. Somit stehen für einen von dem Umfeldobjekt reflektierten Lichtpuls mehrere Schnittzeitpunkte zur Verfügung, welche miteinander kombiniert betrachtet werden können, um den Anfangszeitpunkt des reflektierten Lichtpulses genauer bestimmen zu können.
Beispielsweise kann ein jeweiliger erster Schnittzeitpunkt bestimmt werden, welcher anzeigt, wann das jeweilige Messsignal das Referenzsignal überschreitet. Alternativ oder zusätzlich kann ein jeweiliger zweiter Schnittpunkt bestimmt werden, welcher anzeigt, wann das jeweilige Messsignal das Referenzsignal unterschreitet. Auf der Grundlage von dem jeweiligen ersten Schnittzeitpunkt und dem jeweiligen zweiten Schnittzeitpunkt kann eine Pulsbreite für das jeweilige Messsignal bestimmt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann eine Pulsanstiegszeit bestimmt werden. Dazu wird ein jeweiliger Schnittzeitpunkt, welcher anzeigt wann das jeweilige Messsignal das Referenzsignal überschreitet, bestimmt. Aus einer Zeitdifferenz zwischen jeweiligen Schnittzeitpunkten von verschiedenen Messsignalen wird mindestens eine Pulsanstiegszeit bestimmt. Die Flanke des Pulses kann derart vermessen werden.
Auf der Grundlage von der Pulsbreite und/oder der Pulsanstiegszeit kann beispielsweise ein Kompensationswert für die Entfernung bestimmt werden. Der Kompensationswert kann beispielsweise mittels vorgegebener Kennlinien oder Kompensationskurven in Abhängigkeit von der Pulsbreite und/oder der Pulsanstiegszeit bestimmt werden. Die Berücksichtigung des Kompensationswertes kann zur Verbesserung der Genauigkeit der Bestimmung des Anfangszeitpunkt des reflektierten Lichtpulses beitragen.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird eine Pulshöhe für das Messsignal in Abhängigkeit von den ersten Schnittzeitpunkten und den zweiten Schnittzeitpunkten bestimmt. In Abhängigkeit von der Pulsbreite, der Pulsanstiegszeit und/oder der Pulshöhe kann eine Intensität der Rückstreuung bestimmt werden, mit welcher auf einen Reflexionsgrad des Umfeldobjekts geschlossen werden kann. Der Reflexionsgrad der Umfeldobjekte im erfassten Messfeld ermöglicht, diese zu separieren. Weiterhin lässt der Reflexionsgrad Rückschlüsse auf die Art des Objekts zu und kann daher wichtige Informationen zur Interpretation einer erfassten Szene liefern.
Bei einer Ausführungsform wird das Referenzsignal mit einem Digital-/Analog-Wandler mit einem nachgeschalteten Tiefpassfilter erzeugt. Der Digital-/Analog-Wandler kann beispielsweise ein Fast-Digital-to-Analog-Converter (FDAC) sein, welcher eine Samplefrequenz von über 100 MHz, beispielsweise 1 15 MHz aufweist. Der Tiefpassfilter kann verwendet werden, um das digital erzeugte Referenzsignal zu glätten. Weiterhin kann das Messsignal von dem Empfänger mithilfe eines Hoch passfilters gefiltert werden, um eventuelle Gleichstromanteile, beispielsweise aufgrund von einer Umgebungshelligkeit, aus dem Messsignal herauszufiltern. Das gefilterte Referenzsignal und das gefilterte Messsignal können dann zuverlässig mittels des Komparators verglichen werden.
Beispielsweise kann das Referenzsignal einen ersten zeitlichen Abschnitt, in welchem ein Signalwert des Referenzsignals einen konstanten Wert aufweist, und einen zweiten zeitlichen Abschnitt, in welchem ein Signalwert des Referenzsignals mit fortlaufender Zeit verringert wird, umfassen. Insbesondere kann in dem zweiten zeitlichen Abschnitt der Signalwert des Referenzsignals in Abhängigkeit einer Exponentialfunktion oder einer quadratischen Funktion mit fortlaufender Zeit verringert werden. Die Länge des ersten zeitlichen Abschnitts kann beispielsweise so gewählt werden, dass Reflexionen des Laserpulses, welche beispielsweise von optischen Elementen der Messvorrichtung direkt zu dem Empfänger geleitet werden, den Empfänger innerhalb des ersten zeitlichen Abschnitts erreichen. Dadurch bleiben diese internen Reflexionen unberücksichtigt und stören die Auswertung von Reflexionen von Umfeldobjekten nicht. Der abfallende Verlauf des Referenzsignals im zweiten zeitlichen Abschnitt berücksichtigt die geringer werdende Intensität von reflektierten Lichtpulsen von Umfeldobjekten in wachsender Entfernung, sodass eine gleichbleibende Empfindlichkeit der Messvorrichtung erreicht werden kann. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Messvorrichtung zur Durchführung der Entfernungsbestimmung in unterschiedliche Richtungen in Bezug auf die Messvorrichtung ausgestaltet. Das Referenzsignal wird in Abhängigkeit von einer Richtung einer derzeitigen Entfernungsbestimmung erzeugt. Beispielsweise können Lichtpulse von einem Laser in verschiedene Richtungen in Bezug auf die Messvorrichtung ausgesendet werden, um die Umgebung der Messvorrichtung abzutasten. Reflexionen dieser Lichtpulse werden von dem Empfänger der Messvorrichtung aufgenommen und entsprechende Messsignale ausgegeben. Die optischen Eigenschaften von Komponenten im Strahlengang, wie zum Beispiel Linsen, Spiegel oder Scheiben, können in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich sein. Indem das Referenzsignal in Abhängigkeit von der Richtung der derzeitigen Entfernungsbestimmung erzeugt wird, können diese unterschiedlichen optischen Eigenschaften berücksichtigt werden. Dadurch kann in alle Messrichtungen eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Referenzsignal in Abhängigkeit von einer Sendelichtleistung des Lichts erzeugt werden. Unter unterschiedlichen Messbedingungen, beispielsweise in hellen oder dunklen Umgebungen, kann eine Anpassung der Sendelichtleistung erforderlich sein. Durch Berücksichtigen der Sendelichtleistung bei der Erzeugung des Referenzsignals kann für die unterschiedlichen Messbedingungen eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden.
Bei einem weiteren Beispiel umfasst die Messvorrichtung eine optische Einrichtung, durch welche das von einem optischen Sender ausgesandte Licht und ein von dem Empfänger empfangenes optisches Signal verlaufen. Der optische Sender kann beispielsweise einen Laser umfassen. Die optische Einrichtung kann beispielsweise Linsen, Spiegel oder Scheiben umfassen. Bei dem Verfahren wird das Referenzsignal in Abhängigkeit von Reflexionseigenschaften der optischen Einrichtung erzeugt. Das Referenzsignal kann beispielsweise unter nominierten Bedingungen, beispielsweise an einem Messplatz, unter Berücksichtigung der Reflexionseigenschaft der optischen Einrichtung erzeugt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst der Empfänger eine Anordnung von Einzelphoton-Lawinenphotodioden (single-photon avalanche diode, SPAD). Insbesondere kann die Anordnung einen SiPM (Silicon Photo-Multiplier) umfassen. Dieser wandelt die einfallenden Photonen des Lichts in ein elektrisches Signal, dessen Spannung gemessen wird. Die gemessene Spannung nimmt mit der Intensität des einfallenden Lichts zu. Dabei genügt bei einem SiPM schon ein Photon, um ein messbares Signal zu erzeugen. Dadurch kann eine hohe Empfindlichkeit des Empfängers erreicht werden. In einem weiteren Beispiel umfasst eine Messvorrichtung, welche zur Entfernungsbestimmung einer Entfernung zu einem Umfeldobjekt mittels einer Laufzeitmessung von Licht ausgestaltet ist, einen optischen Empfänger, einen Zeitgeber, eine Referenzsignalerzeugungsvorrichtung, einen Komparator und eine Verarbeitungsvorrichtung. Der optische Empfänger stellt ein Messsignal in Abhängigkeit von dem empfangenen Licht bereit. Die Referenzsignalerzeugungsvorrichtung erzeugt ein Referenzsignal, beispielsweise ein elektrisches Signal mit einem vorgegebenen zeitlich veränderlichen Signalwert. Der Komparator, beispielsweise eine Vergleichsschaltung zum Vergleichen elektrischer Spannungen, ist mit dem optischen Empfänger und der Referenzsignalerzeugungsvorrichtung gekoppelt und erzeugt in Abhängigkeit von dem Messsignal und dem Referenzsignal ein Vergleichssignal. Die Verarbeitungsvorrichtung ist ausgestaltet, den Zeitgeber im Zusammenhang mit dem Aussenden des Lichts zu starten und die Referenzsignalerzeugungsvorrichtung anzusteuern, um das Referenzsignal mit dem vorgegebenen zeitlich veränderlichen Signalwert zu erzeugen. Anhand des Vergleichssignals von dem Komparator bestimmt die Verarbeitungsvorrichtung mindestens einen Schnittzeitpunkt. Der Schnittzeitpunkt zeigt einen Zeitpunkt an, zu welchem ein Werteverlauf des Messsignals einen Werteverlauf des Referenzsignals schneidet. Der Schnittzeitpunkt wird basierend auf dem Zeitgeber bestimmt. Basierend auf dem mindestens einen Schnittzeitpunkt wird eine Entfernung bestimmt. Die Messvorrichtung ist somit zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens oder einer seiner Ausführungsformen geeignet und umfasst daher auch die zuvor im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile.
Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Figur 1 zeigt schematisch eine Anordnung, die eingerichtet ist, eine gescannte Abstandsmessung von Objekten im Umfeld der Anordnung gemäß verschiedener Ausführungsformen durchzuführen, wobei die Anordnung einen Emitter für Laserlicht, einen Empfänger für Laserlicht und eine LIDAR-Messvorrichtung aufweist.
Figur 2 zeigt schematisch Details der LIDAR-Messvorrichtung der Figur 1. Figur 3 zeigt schematisch ein Flussdiagram mit Verfahrensschritten zur Entfernungsbestimmung eines Objekts mittels einer Laufzeitmessung von Licht gemäß verschiedener Ausführungsformen.
Figur 4 zeigt schematisch ein Messsignal eines Empfängers für Laserlicht ohne Rückstreuung von einem Umfeldobjekt sowie ein Referenzsignal.
Figur 5 zeigt schematisch ein Messsignal eines Empfängers für Laserlicht mit Rückstreuung von einem Umfeldobjekt sowie ein Referenzsignal
Figur 6 zeigt schematisch mehrere Messsignale einer Rückstreuung eines Lichtpulses von einem Umfeldobjekt sowie ein Referenzsignal.
Figur 7 zeigt schematisch mehrere Messsignale einer weiteren Rückstreuung eines Lichtpulses von einem Umfeldobjekt sowie ein Referenzsignal.
Figur 8 zeigt schematisch einen Graph für Kompensationswerte, welcher von einer Pulsbreite abhängen.
Figur 9 gezeigt schematisch eine Bestimmung einer Pulsanstiegszeit einer Rückstreuung eines Lichtpulses von einem Umfeldobjekt unter Verwendung mehrerer Messsignale und einem Referenzsignal.
Figur 10 zeigt schematisch einen Graph für Kompensationswerte, welche von einer Pulsanstiegszeit abhängen.
Figur 11 zeigt schematisch eine Bestimmung einer Pulshöhe einer Rückstreuung eines Lichtpulses von einem Umfeldobjekt unter Verwendung mehrerer Messsignale und einem Referenzsignal.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.
Nachfolgend werden verschiedene Techniken zum Scannen von Licht beschrieben. Die nachfolgenden T echniken können zum Beispiel das zweidimensionale Scannen von Licht oder das eindimensionale Scannen von Licht ermöglichen. Das Scannen kann periodisches Bewegen des Lichts zwischen unterschiedlichen Positionen (Scanbereich) bezeichnen.
In verschiedenen Beispielen ist es möglich, Laserlicht zu scannen. Dabei kann zum Beispiel kohärentes oder inkohärentes Laserlicht verwendet werden. Es wäre möglich, polarisiertes oder unpolarisiertes Laserlicht zu verwenden. Beispielsweise wäre es möglich, dass das Laserlicht gepulst verwendet wird. Zum Beispiel können kurze Laserpulse mit Pulsbreiten im Bereich von Femtosekunden oder Pikosekunden oder Nanosekunden verwendet werden. Das Laserlicht kann eine Wellenlänge im Bereich von 700 - 1800 nm aufweisen. Aus Gründen der Einfachheit wird nachfolgend vornehmlich Bezug auf Laserlicht genommen; die entsprechenden Techniken können aber ohne weiteres auch auf Licht aus anderen Lichtquellen, zum Beispiel Breitbandlichtquellen oder RGB-Lichtquellen, angewendet werden.
In verschiedenen Beispielen können LIDAR-Techniken angewendet werden. Die LIDAR- Techniken können dazu genutzt werden, um eine ortsaufgelöste Abstandsmessung von Objekten im Umfeld durchzuführen.
Figur 1 zeigt eine beispielhafte Anordnung 100, die eingerichtet ist, eine gescannte Abstandsmessung zu Umfeldobjekten, beispielsweise einem Fahrzeug 200, mit kurzen Laserpulsen gemäß LIDAR-Technologien durchzuführen. Die kurzen Laserpulse können beispielsweise eine Dauer von 8 ns aufweisen. Als Laserquelle 101 kann beispielsweise eine Laserdiode mit 905 nm Wellenlänge verwendet werden. Diese Wellenlänge ist für eine Anwendung im Straßenverkehr gut geeignet, da viele Materialien bei dieser Wellenlänge einen hohen relativen Reflexionsgrad aufweisen. Darüber hinaus ist die Intensität von störendem Tageslicht bei 905 nm relativ gering.
Die Intensität des Laserlichtes kann begrenzt sein, damit die Anordnung 100 Anforderungen der Lasersicherheit erfüllt, beispielsweise die Laserklasse 1. Damit ist die Anordnung 100 augensicher. Die Energie eines Laserpulses beträgt dann beispielsweise 500 nJ.
Nachdem die Laserquelle 101 von einer Messvorrichtung 102, beispielsweise eine elektronische Verarbeitungsvorrichtung, über eine Auslöseverbindung 11 1 ausgelöst (getriggert) worden ist, wird ein kurzer Laserpuls ausgesendet. Über eine weitere Verbindung 116 kann die Laserquelle 101 den genauen Zeitpunkt signalisieren, zu welchem der Laserpuls von der Laserquelle 101 ausgesendet wurde. Dieser Vorgang kann beispielsweise mit 300 kHz wiederholt werden. Ein so erzeugter Laserstrahl 1 18 kann durch ein Linsensystem 103 kollimiert und dann durch eine Blende 104 auf einen Strahlteiler 105 gesendet werden. Die Blende 104 dient dazu, den Laserstrahl 1 18 auf den nutzbaren Teil des Strahlteilers 105 zu begrenzen. Wenn der Laserstrahl 118 die Ränder des Strahlteilers 105 treffen würde, könnten Reflexionen entstehen, die Streulicht in der Anordnung 100 erzeugen und einen Empfänger 106, beispielsweise eine Anordnung von Einzelphoton- Lawinenphotodioden (single-photon avalanche diode, SPAD) oder einen SiPM-Detektor (SiPM: Silicon Photo-Multiplier), stören.
Die Anordnung 100 sendet beispielsweise kein ideal paralleles Lichtbündel aus. Der Laserstrahl 118 kann zum Beispiel eine Aufweitung von 7 mrad aufweisen, das heißt, in einer Entfernung von 100 m hat der Laserstrahl 1 18 einen Strahldurchmesser von ca. 70 cm. Der Laserstrahl 118 wird dann von zwei Spiegeln 107 und 108 in horizontaler und in vertikaler Richtung abgelenkt.
Die beiden Spiegel können zum Beispiel durch ein MEMS 109, 1 10 (Micro-Electro-Mechanical System) in eine Schwingung mit gleicher Frequenz (z.B. 160 Hz) versetzt werden. Der horizontal ablenkende Spiegel 107 schwingt mit konstanter Amplitude. Dadurch wird der Laserstrahl 118 in horizontaler Richtung um beispielsweise ±30° abgelenkt. Das heißt, der horizontale Öffnungswinkel des LIDARs beträgt 60°. Der Spiegel 108 für die vertikale Ablenkung schwingt mit linear zunehmender Amplitude bis die maximale vertikale Auslenkung des Laserstrahls 118 erreicht ist (z.B. ±15°)· Das heißt, der vertikale Öffnungswinkel beträgt 30°. Durch diese Bewegung der Spiegel 107, 108 beschreibt ein Messpunkt im Messfeld ellipsenförmige Bewegungen. Die horizontale Halbachse der Ellipsen ist konstant (z.B. 30°)· Die vertikale Halbachse ändert sich linear von Null bis 15°. Die Form des dadurch entstehenden Messfeldes beschreibt ein sich öffnendes Auge. Die so aufgenommenen Messpunkte bilden ein Bild (Frame). Sie können in ein dreidimensionales Abbild der Umgebung im Bereich der Öffnungswinkel umgewandelt werden. Dieser Vorgang kann periodisch wiederholt werden. Dadurch entsteht eine zeitliche Folge von dreidimensionalen Bildern der Umgebung. Ein Frame kann typischerweise 40.000 Bildpunkte aufweisen. Die Aufnahme eines Frames kann beispielsweise 150 ms dauern.
Der Laserstrahl 118 kann von einem Objekt 200 im Umfeld der Anordnung 100 reflektiert werden. Dabei wird er gestreut und verliert je nach Reflexionsgrad an Intensität. Ein kleiner Teil eines reflektierten Laserstrahls 112 kommt über den gleichen Strahlengang über die zwei Spiegel 107, 108 zum Strahlteiler 105 wieder zurück. Der Strahlteiler 105 ist beispielsweise ein Spiegel, der den rausgehenden Laserstrahl reflektiert und an dem der reflektierte Laserstrahl vorbei geht. Das Licht, dass am Strahlteiler 105 vorbei geht, wird über mehrere Optikelemente (Blende 114 und Kollimator 1 13) in den Empfänger 106 gelenkt. Dieser wandelt die einfallenden Photonen des Lichts in ein elektrisches Signal, dessen Spannung gemessen wird. Die gemessene Spannung nimmt mit der Intensität des einfallenden Lichts zu. Dabei genügt bei einem SiPM schon ein Photon, um ein messbares Signal zu erzeugen. Das gemessene Signal kann als Messsignal über eine Verbindung 1 17 von dem Empfänger 106 zu der Messvorrichtung 102 übertragen werden.
Beim Aussenden eines Laserpulses entstehen in der Anordnung 100 störende Reflexionen, die vom Empfänger 106 detektiert werden. Die Reflexionen entstehen zum Beispiel an den Blenden 104, 1 14, am Strahlteiler 105 und an einer Glasscheibe 1 15 an einem Gehäuse der Anordnung 100, durch die der Laserstrahl 1 18 ausgesendet wird. Durch Mehrfachreflexionen können so Photonen zum Empfänger 106 gelangen. Dieser Störpuls steuert den Empfänger 106 aus und überdeckt beispielsweise in den ersten 100 ns die Nutzsignale, beispielsweise Reflexionen von dem Objekt 200 im Messfeld.
Figur 4 zeigt beispielhaft ein von dem Empfänger 106 bereitgestelltes Messsignal 601 , welches nur Reflexionen innerhalb der Anordnung 100 anzeigt, d. h., dass außerhalb der Anordnung 100 der Laserstrahl 118 auf kein Objekt gestoßen ist und somit kein zurückgestreutes Laserlicht 112 von Objekten außerhalb der Anordnung 100 auf den Empfänger 106 trifft. In diesem Beispiel kann die Anordnung 100 im Nahbereich keine Objekte erkennen. Bei einer geringeren Verstärkung oder bei einer besseren Dämpfung der Eigenreflektion wäre jedoch auch eine Objekterkennung im Nahbereich möglich. Nach Abklingen dieses Störpulses im Bereich von ca. 0-100 ns empfängt der Empfänger 106 ein Rauschsignal, das durch Tageslicht verursacht wird. Dieses Signal kann durch die nachgeschaltete Elektronik, beispielsweise Verstärker, noch weiter verrauscht werden. Zur Signalauswertung wird eine Schwellwert-Kurve, die diesen Störpuls und das anschließende Rauschen als Einhüllende nachbildet, berechnet. Durch einen Vergleich des Messsignals 601 des Empfängers 106 mit dieser Schwellwert-Kurve werden die Rückstreuungen von Objekten detektiert. Figur 5 zeigt beispielhaft ein Messsignal 601 des Empfängers 106, welches im Bereich von ca. 380-430 ns einen Puls aufweist, welcher durch zurückgestreutes Laserlicht 112 von einem Objekt 200 außerhalb der Anordnung 100 hervorgerufen wird.
Zur Ermittlung von Laufzeit (Objektentfernung) und Intensität (Reflexionsgrad des Objekts) kann es erforderlich sein, den Beginn, die Anstiegszeit und die Pulsbreite des zurückgestreuten Lichtpulses zu erfassen.
Dazu kann das Messsignal 601 des Empfängers 106 beispielsweise mit einem schnellen Analog-/Digital-Wandler (ADC, Analog-To-Digital-Converter) digitalisiert werden. Dies erfordert jedoch einen aufwändigen Wandler und eine aufwändige Verarbeitung des hochfrequent abgetasteten Signals. Insbesondere die Verarbeitung des hochfrequent abgetasteten Signals kann sehr zeitintensiv sein, wodurch die erreichbare Frame-Rate beeinflusst werden kann.
Um die Verarbeitung des Messsignals 601 zu vereinfachen und damit zu beschleunigen, wird ein Referenzsignal 600 erzeugt, welches den vorgegebenen zeitlich veränderlichen Signalverlauf der Schwel Iwertkurve nachbildet. Dieses Referenzsignal 600 wird mit einem Komparator mit dem Messsignal 601 verglichen. In Abhängigkeit von dem Vergleich werden Schnittzeitpunkte bestimmt, zu welchen ein Werteverlauf des Messsignals 601 einen Werteverlauf des Referenzsignals schneidet. Die Schnittzeitpunkte werden basierend auf einem Zeitgeber bestimmt, welcher im Zusammenhang mit dem Aussenden des Laserpulses gestartet wird. Anhand der Schnittzeitpunkte wird der Zeitpunkt des Eintreffens des von einem Objekt reflektierten Laserpulses bestimmt und daraus eine Entfernung zu dem Objekt berechnet. Um die Genauigkeit zu erhöhen, können mehrere Messsignale aus dem Messsignal 601 erzeugt werden und diese mehreren Messsignale mit dem Referenzsignal verglichen werden.
Figur 2 zeigt Details der Messvorrichtung 102 zur Entfernungsbestimmung gemäß dem zuvor skizzierten Verfahren. Figur 3 zeigt ein Flussdiagram mit entsprechenden Verfahrensschritten 301-314, welche von der Messvorrichtung 102 ausgeführt werden können. Insbesondere die in gestrichelten Kästen dargestellten Verfahrensschritte stellen optionale Verfahrensschritte dar, welche weggelassen werden können oder außerhalb der Messvorrichtung 102 ausgeführt werden können.
Die Messvorrichtung 102 umfasst eine Verarbeitungsvorrichtung 201 , beispielsweise eine digitale Steuerung, wie zum Beispiel einen Mikroprozessor oder einen digitalen Signalprozessor, welche die Abläufe in der Messvorrichtung 102 und zumindest teilweise in der Anordnung 100 steuert.
Die Messvorrichtung 102 umfasst ferner einen Vorverstärker 202, welchem über die Verbindung 117 das Messsignal 601 von dem Empfänger 106 zugeführt wird. Das von dem Vorverstärker 202 verstärkte Messsignal wird weiteren Verstärker 203-205 parallel zugeführt. Der Verstärker 205 ist ein einfach Verstärker, welcher das vorverstärkte Messsignal 601 im Wesentlichen mit dem Faktor eins verstärkt ausgibt. Der Verstärker 204 ist ein Zweifachverstärker, welcher das vorverstärkte Messsignal 601 im Wesentlichen mit dem Faktor zwei verstärkt ausgibt. Der Verstärker 203 ist ein Vierfachverstärker, welche das vorverstärkte Messsignal 601 im Wesentlichen mit dem Faktor vier verstärkt ausgibt.
Die Messvorrichtung 102 umfasst ferner einen schnellen Digital-Analog-Wandler (FDAC) 206, welcher über eine Verbindung 207 zugeführte digitale Werte in entsprechende analoge elektrische Signalwerte umwandelt.
Die Messvorrichtung 102 umfasst weiterhin drei Komparatoren 208-210. Jedem der drei Komparatoren 208-210 wird jeweils das von dem Digital-Analog-Wandler 206 erzeugte elektrische Signal zugeführt. Weiterhin wird dem Komparator 208 das vierfach verstärkte Messsignal von dem Verstärker 203 zugeführt. Dem Komparator 209 wird das zweifach verstärkte Messsignal von dem Verstärker 204 zugeführt und dem Komparator 210 wird das einfach verstärkte Messsignal von dem Verstärker 205 zugeführt. Die Komparatoren 208-210 vergleichen das von dem Digital-Analog-Wandler 206 erzeugte elektrische Signal mit dem jeweiligen von den Verstärkern 203-205 zugeführten verstärkten Messsignal und erzeugen ein jeweiliges Ausgangssignal, beispielsweise einen Signalpuls oder eine Signalflanke, wenn das jeweilige von den Verstärkern 203-205 zugeführte Messsignal das von dem Digital-Analog- Wandler 206 erzeugte elektrische Signal schneidet, also über- oder unterschreitet.
Die Ausgangssignale der Komparatoren 208-210 werden einem Zeit-Digital-Wandler (Time- to-Digital Convertor, TDC) zugeführt. Der TDC kann beispielsweise drei Kanäle 211-213 aufweisen, welche jeweils von einem der Ausgangssignale der Komparatoren 208-210 angesteuert werden. Alternativ können drei TDC vorgesehen sein, welche jeweils von einem der Ausgangssignale der Komparatoren 208-1 10 angesteuert werden. Gestartet wird der TDC oder die mehreren TDCs über die Verbindung 1 16, wodurch der TDC oder die mehreren TDCs gestartet werden, wenn der Laserpuls von der Laserquelle 101 ausgesendet wird. Jeder Kanal des TDC bzw. jeder der mehreren TDCs stellt der Verarbeitungsvorrichtung 201 einen jeweiligen Zeitwert bereit, wenn der entsprechende Kanal bzw. TDC von dem entsprechenden Ausgangssignal des entsprechenden Komparators 208-210 angesteuert wird. Die Zeitwerte zeigen somit Schnittzeitpunkte zwischen den verstärkten Messsignalen und dem von dem Digital-Analog-Wandler 206 erzeugten elektrische Signal an. Dabei können sowohl Überschreitungen als auch Unterschreitungen des von dem Digital-Analog-Wandler 206 erzeugten elektrischen Signals erkannt und entsprechende Schnittzeitpunkte ermittelt werden.
In Verbindung mit Figur 3 wird nachfolgend die grundlegende Arbeitsweise der Anordnung 100 beschrieben.
Im Schritt 301 wird ein Laserpuls von der Laserquelle 101 ausgesendet. Die Laserquelle 101 kann dazu beispielsweise über die Verbindung 1 1 1 von der Verarbeitungsvorrichtung 201 angesteuert werden. Über die Verbindung 1 16 zeigt die Laserquelle 101 den genauen Zeitpunkt des Aussendens des Laserpulses an. Dadurch wird im Schritt 302 ein Zeitgeber (TDC), beispielsweise mit drei Kanälen 211-213, gestartet. Gleichzeitig beginnt die Erzeugung des Referenzsignals 600 im Schritt 303. Das Referenzsignal 600 kann beispielsweise wie zuvor beschrieben mithilfe des schnellen Digital-Analog-Wandlers 206 unter der Steuerung der Verarbeitungsvorrichtung 201 erzeugt werden. Das Referenzsignal 600 kann beispielsweise auf der Grundlage des zuvor beschriebenen Schwellwertsignals erzeugt werden. Das Referenzsignal kann zusätzlich in Abhängigkeit von einer Richtung einer derzeitigen Entfernungsbestimmung erzeugt werden. Dadurch können optische Eigenschaften von Komponenten im Strahlengang berücksichtigt werden. Weiterhin kann das Referenzsignal in Abhängigkeit von einer Sendelichtleistung des Lichts erzeugt werden. Dadurch können unterschiedliche Messbedingungen berücksichtigt werden. Parallel dazu erzeugt der Empfänger 106 im Schritt 304 kontinuierlich ein Messsignal, welches der von dem Empfänger 106 empfangenen Lichtintensität entspricht. Der von der Laserquelle 101 erzeugte Laserpuls wird in die Umgebung der Anordnung 100 geleitet und dort gegebenenfalls von dem Objekt 200 reflektiert. Der reflektierte Laserpuls wird somit von dem Empfänger 106 ebenfalls im Schritt 304 erfasst. Das von dem Empfänger 106 erzeugtem Messsignal kann im Schritt 305 mithilfe eines Hoch passfilters gefiltert werden. Im Schritt 306 können weitere Messsignale auf der Grundlage des Messsignals erzeugt werden, beispielsweise ein weiteres Messsignal mit zweifacher Verstärkung und ein weiteres Messsignal mit einer vierfachen Verstärkung. Im Schritt 307 werden die Messsignale mit dem Referenzsignal mithilfe der Komparatoren 208- 210 verglichen. Im Schritt 308 werden Schnittzeitpunkt zwischen den Messsignalen und dem Referenzsignal wie zuvor beschrieben mithilfe der Komparatoren 208-210 und der TDC Kanäle 21 1-213 bestimmt. In den Schritten 309-311 können auf der Grundlage dieser Schnittpunkte eine Pulsbreite (Schritt 309), eine Pulshöhe (Schritt 310) sowie eine Pulsanstiegszeit (Schritt 31 1) bestimmt werden. Details dazu werden nachfolgend erläutert werden. Insbesondere auf der Grundlage von der Pulsbreite und der Pulsanstiegszeit kann im Schritt 312 ein Kompensationswert bestimmt werden, um den Anfangszeitpunkt des reflektierten Laserpulses genauer zu bestimmen. Im Schritt 313 wird die Entfernung zu dem Objekt in der Umgebung der Anordnung 100 auf der Grundlage des so bestimmten Anfangszeitpunkt des reflektierten Laserpulses bestimmt. Zusätzlich kann auf der Grundlage der Pulsbreite, der Pulsanstiegszeit und/oder der Pulshöhe ein Reflexionsgrad des Objekts, von welchem der Laserpuls reflektiert wurde, im Schritt 314 bestimmt werden.
Das zuvor beschriebene Verfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden. Insbesondere kann durch Verändern der Spiegeleinstellungen der Spiegel 107,108 eine Entfernungsmessung in unterschiedliche Richtungen in Bezug auf die Anordnung 100 durchgeführt werden, wodurch die Umgebung oder ein Umfeld der Anordnung 100 abgetastet werden kann.
Auf der Grundlage des zuvor im Überblick beschriebenen Verfahrens mit den Verfahrensschritten 301-314 werden nachfolgend einige Details, insbesondere zur Bestimmung des Kompensationswerts sowie zur Bestimmung des Reflexionsgrads im Detail beschrieben werden.
Um mit der Anordnung 100 eine Umgebung abzutasten und somit eine Punktwolke von gemessenen Entfernungen zu generieren, muss für jeden gemessenen Punkt eine Entfernung vom der Anordnung 100 zum Objekt berechnet werden. Um die Entfernung zu berechnen, wird die Laufzeit, die ein Laserpuls für den Rundweg von der Anordnung 100 zum Objekt 200 und wieder zurück zur Anordnung 100 braucht, ermittelt. Mit der Laufzeit t und der Lichtgeschwindigkeit c = 3- 108 m/s kann mit t
s = c
2 die Entfernung s zum Objekt 200 berechnet werden. Dabei ist die Laufzeit t durch zwei zu teilen, da das Licht den doppelten Weg zurücklegen muss, erst zum Objekt 200 und dann wieder zurück zur Anordnung 100. Um die Laufzeit zu bestimmen, wird das Messsignal des Empfängers 106 nach einer Vorverstärkung mit drei unterschiedlichen Verstärkungsstufen 203-205 verstärkt. Die drei so erzeugten Messsignale werden dann mittels dreier Komparatoren 208-210 mit der Schwellwert-Kurve verglichen, welche als Referenzsignal von dem Wandler 206 erzeugt wird. Ein Tiefpassfilter kann genutzt werden, um das digital erzeugte Referenzsignal zu glätten. Die maximale Spannung des FDAC beträgt beispielsweise 5 V. Eine steigende Flanke wird beim Überschreiten des Referenzsignals erkannt, eine fallende Flanke beim folgenden Unterschreiten. Dabei ist zu beachten, dass das gleiche Messsignal in drei verschiedenen Verstärkungskurven vorliegt und diese dann mit dem gleichen Referenzsignal geschnitten werden. Für jeden Schnittpunkt liefert der TDC eine Zeitdauer zwischen Laserstart und diesem Schnittpunkt. Der TDC hat für jedes der drei verstärkten Messsignale einen eigenen, unabhängigen Kanal 21 1-213.
Bei einem pulsenden LI DAR wird ein kurzer Laserpuls erzeugt, der das Messfeld abtastet. Dieser Laserpuls hat beispielsweise eine Pulsbreite von 8 ns. Form und Intensität des zurückgestreuten Pulses, sowie Signal-Offset und Rauschen werden von verschiedenen Faktoren beeinflusst.
Die Intensität des zurückgestreuten Lichts nimmt quadratisch mit der Distanz ab.
Der Reflexionsgrad des zu erfassenden Objekts beeinflusst, wieviel Prozent des ankommenden Lichtes zurückgestreut werden. So können stark reflektierende Objekte besser wahrgenommen werden als schlecht reflektierende, da bei diesen weniger Licht zurückkommt und sie sich weniger stark vom Rauschen abheben. Der Reflexionsgrad beeinflusst hauptsächlich die Intensität des detektierten Pulses.
Eine Abstrahlcharakteristik der Oberfläche eines Objektes beeinflusst, wie viel des zurückgestreuten Lichtes in die Richtung des Empfängers zurückgestreut wird und damit wieder gemessen werden kann. So gibt es verschiedene Abstrahlcharakteristiken. Weißes Papier ist zum Beispiel ein relativ guter Lambert’scher Strahler. Das bedeutet, dass die abgestrahlte Intensität abhängig von der abgestrahlten Richtung ist. Ein Spiegel reflektiert nahezu das gesamte einfallende Licht in eine Richtung. Falls der Laserpuls nicht senkrecht auf die spiegelnde Oberfläche trifft, wird kaum Licht in den Empfänger zurückgestreut. Damit wird deutlich, dass die Abstrahlcharakteristik die Intensität des detektierten Pulses beeinflusst.
Die Rückstreuung wird auch durch den Winkel, unter dem der Laserstrahl auf die Oberfläche des Objektes trifft, beeinflusst. Der Laserstrahl weitet sich mit zunehmender Entfernung zur Anordnung 100 auf. Dadurch ergibt sich bei einer zum Laserstrahl geneigten Oberfläche am vordersten Punkt des Lichtflecks eine kürzere Laufzeit, als am hintersten Punkt des Lichtflecks. Der rückgestreute Puls wird um die Differenz der beiden Laufzeiten verlängert.
Das Tageslicht hat einen Einfluss auf das Rauschen im Messsignal des Empfängers 106. Abhängig von der Intensität des Tageslichts und dem Reflexionsgrad des Objekts hat das Messsignal einen Offset und Rauschen. Ein hoch reflektives Objekt reflektiert nicht nur den Laserstrahl sehr gut, sondern es reflektiert auch viel Tageslicht und dadurch gibt es bei diesen Objekten mehr Rauschen und einen höheren Offset. Ein schlecht reflektierendes Objekt reflektiert deutlich weniger Tageslicht und es entsteht weniger Rauschen. Wenn das Messfeld Bereiche mit viel Tageslicht und andere Bereiche mit wenig Tageslicht hat, zum Beispiel sonnenbeschienene Flächen und schattige Flächen, entstehen verschieden große Offfsets bei den abgetasteten Punkten. Die Schwellwert-Kurve kann nicht auf beide Level angepasst werden und in einem der beiden Bereiche kann nicht mehr genau gemessen werden. Um den Offset des Tageslichtrauschens zu unterdrücken, kann das Messsignal des Empfängers 106 mit einem Hochpassfilter gefiltert werden. Dieser filtert die Gleichanteile aus dem Messsignal heraus. Dadurch kann sowohl auf hell beleuchteten als auch auf schattigen Flächen mit der gleichen Schwellwert-Kurve gemessen werden. Das Rauschen des Tageslichtes kann weitestgehend mit einem optischen Filter, der nur Licht mit der Wellenlänge des Laserpulses durchlässt, unterdrückt werden.
Der Laufzeit des zurückgestreuten Lichts kann bestimmt werden, indem der Beginn der steigenden Flanke des reflektierten Lichtpulses ermittelt wird. Dazu kann der Schnittpunkt des vierfach verstärkten Messsignals mit der Schwellwert-Kurve bestimmt wird. Wie in Figur 6 zu erkennen ist, schneidet das vierfach verstärkte Messsignal 604 das Referenzsignal 600 zuerst, da die höchste Verstärkung die größte Steigung am Pulsanfang aufweist. Ferner zeigt Figur 6 das zweifach verstärkte Messsignal 602 sowie das einfach verstärkte Messsignal 601 und die entsprechenden Schnittpunkte mit dem Referenzsignal 600. Da die Schwellwert-Kurve und somit das Referenzsignal 600 oberhalb des Rauschens liegen muss, entsprechen die Zeitpunkte der verstärkten Messsignale 601 , 602 und 604 nicht dem Startzeitpunkt des Pulses und somit kann die Messung ungenau sein. In Figur 6 ist zu sehen, dass das Referenzsignal 600 oberhalb des Rauschens liegt und deshalb den Puls nicht am Pulsanfang schneidet. Die Steilheit des detektierten Pulses ist abhängig von der Intensität und Pulsbreite. Bei einem sehr steilen Signalanstieg, wie in Figur 6 gezeigt, kann die Laufzeit anhand des Schnittpunkts mit dem Referenzsignal mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden. Bei einem flacheren Signalverlauf kann diese Methode zu ungenau sein, wie es Figur 7 zeigt. Zur Verbesserung der Ermittlung des Startzeitpunktes des Pulses kann eine Technik verwendet werden, die auf einem Algorithmus namens Walk-Error Kompensation basiert (siehe auch Kurtti, Sami, Jan Nissinen und Juha Kostamovaara: A wide dynamic ränge CMOS laser radar receiver with a time-domain walk error compensation scheme. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 64(3):550-561 , 2017). Dieser Algorithmus kompensiert den Walk-Error, das heißt, den durch unterschiedliche Steilheiten verursachten Zeitversatz zwischen dem Erreichen eines Schwellwertes und dem Startzeitpunkt des Pulses.
Dazu können mittels Messungen Kompensations-Tabellen oder Kompensationskurven erstellt werden, die den Zusammenhang zwischen charakteristischen Kenngrößen des gemessenen Pulses und dem Walk-Error beschreiben. Für jeden Puls werden zwei Schnittpunkte ermittelt, zu denen der Puls das Referenzsignal 600 schneidet. Figuren 6 und 7 zeigen beispielsweise die Schnittpunkte 604A und 604B für das vierfach verstärkte Messsignal 604. Für jeden Puls wird anhand seiner beiden Schnittpunkte seine Pulsbreite ermittelt. Mithilfe einer Kompensationskurve kann nun anhand der Pulsbreite ein Walk-Error ermittelt werden. Figur 8 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Kompensationskurve 701 , welche den Walk-Error abhängig von der Pulsbreite anzeigt. Der Startzeitpunkt des Pulses kann bestimmt werden, indem vom Zeitpunkt des Schnittpunktes der steigenden Flanke des Pulses mit dem Referenzsignal der ermittelte Walk-Error subtrahiert wird.
Bei mehreren Messsignalen, beispielsweise die mehreren Messsignale 601 , 602, 604 mit unterschiedlichen Verstärkungen der Figuren 6 und 7, kann für jede Verstärkungsstufe die Pulsbreite festgestellt werden. Anhand von verstärkungsabhängigen Kompensationskurven kann nun mit der Pulsbreite der entsprechende Walk-Error ermittelt werden. Dadurch können mehrere Walk-Error Kompensationswerte ermittelt werden, beispielsweise drei Walk-Error Kompensationswerte bei drei Verstärkungsstufen, die gemittelt werden können. Durch Subtraktion des gemittelten Walk-Errors von dem Zeitpunkt, an dem die steigende Flanke des vierfach verstärkten Messsignals 604 das Referenzsignal 600 schneidet, kann die Laufzeit des Laserpulses ermittelt werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, statt der Pulsbreite die Anstiegszeit des Pulses als Kenngröße zu verwenden und den Walk-Error anhand der Pulsanstiegszeit abzuschätzen.
Figur 9 zeigt eine Bestimmung von Pulsanstiegszeiten aus den Schnittzeitpunkten der Messsignale 601 , 602 und 604 mit dem Referenzsignal 600. Die jeweiligen Schnittzeitpunkte zeigen an, wann das jeweilige Messsignal 601 , 602, 604 das Referenzsignal 600 überschreitet. Aus den drei Schnittzeitpunkte können, wie in Figur 9 gezeigt, drei Anstiegszeiten berechnet werden: Ät42, Ät4i und Ät2i . das Referenzsignal 600 kann in dem betrachteten Zeitraum der drei Schnittpunkte als im Wesentlichen konstant angesehen werden. Die Anstiegszeiten ergeben sich durch die Zeitunterschiede zwischen den Schnittpunkten der Messsignale 601 , 602 und 604 mit dem Referenzsignal 600. Bei mehr oder weniger als den gezeigten drei Messsignalen 601 , 602 und 604 ergeben sich entsprechend mehr oder weniger Anstiegszeiten. Auch kann es Vorkommen, dass das einfach verstärkte Messsignal 601 das Referenzsignal 600 nicht schneidet, sodass lediglich die Anstiegszeit Ät42 berechnet werden kann. In dem in Figur 9 gezeigten Beispiel mit drei Messsignalen 601 , 602 und 604 ergeben sich drei Pulsanstiegszeiten, von welchen jedoch nachfolgend nur zwei Anstiegszeiten verwendet werden, da sich die dritte Anstiegszeit redundant aus den zwei anderen Anstiegszeiten ergibt. Beispielsweise werden nachfolgend lediglich die Anstiegszeit At42 und die Anstiegszeit Ät4i betrachtet. Mittels vorhergehender Messungen können Kompensationstabellen oder Kompensationskurven erstellt werden, die den Zusammenhang zwischen den Anstiegszeiten und dem Walk-Error beschreiben. Mithilfe der Kompensationskurven kann dann anhand der Anstiegszeiten ein Walk-Error Kompensationswert ermittelt werden.
Figur 10 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Kompensationskurve 801 , welche die Walk- Error Kompensation abhängig von der Anstiegszeit Ät42 anzeigt, und eine Kompensationskurve 802, welche die Walk-Error Kompensation abhängig von der Anstiegszeit Ät4i anzeigt. In diesem Fall wird der Mittelwert aus den beiden Walk-Error Kompensationswerten gebildet und dieser von dem Zeitpunkt, zu dem das vierfach verstärkte Messsignal 604 den Referenzwert 600 schneidet, abgezogen. Falls beispielsweise das einfach verstärkte Messsignal 601 das Referenzsignal 600 nicht schneidet, wird lediglich die Anstiegszeit Ät42 berechnet und aus einer entsprechenden Kompensationskurve ein Walk- Error Kompensationswert ermittelt, welcher von dem Zeitpunkt, zu dem das vierfach verstärkte Messsignal 604 den Referenzwert 600 schneidet, abgezogen. Daraus ergibt sich die Signallaufzeit und damit die Entfernung zum Objekt.
Statt nur die Pulsbreiten oder nur die Anstiegszeiten für eine Walk-Error Kompensation zu nutzen, kann auch eine Kombination beider Verfahren genutzt werden. Dazu werden zunächst die Walk-Error Kompensationswerte, wie zuvor beschrieben, ermittelt. Falls aufgrund der geringen Pulsbreite oder der geringen Intensität kein Walk-Error Kompensationswert berechnet werden kann, wird der Schnittpunkt des vierfach verstärkten Messsignals 604 mit dem Referenzwert 600 als Startpunkt des Pulses verwendet. Falls nur ein Walk-Error Kompensationswert berechnet werden kann, wird dieser genutzt. Können sowohl ein Walk- Error Kompensationswert aus der Pulsbreite als auch ein Walk-Error Kompensationswert aus der Anstiegszeit berechnet werden, so kann beispielsweise der niedrigste dieser Kompensationswerte, der höchste dieser Kompensationswerte oder vorzugsweise ein Mittelwert dieser Kompensationswerte zur Korrektur des Startzeitpunktes des Pulses verwendet werden.
Durch die Erfassung der Intensität der Rückstreuung kann auf den Reflexionsgrad des erfassten Objekts geschlossen werden. Bei Kenntnis des Reflexionsgrads der Objekte im erfassten Messfeld ist es möglich, diese Objekte zu separieren. Darüber hinaus lässt der Reflexionsgrad Rückschlüsse auf die Art der Objekte zu. Er kann daher wichtige Informationen zur Interpretation der erfassten Szene liefern. Obwohl es verschiedene Einflussfaktoren auf die Intensität des zurückgestreuten Lichtes gibt und die Intensität daher kein eindeutiges Maß für den Reflexionsgrad des Objektes ist, ist die Intensität ist aber dennoch eine hilfreiche Zusatzinformation, die Rückschlüsse auf die Eigenschaften des erfassten Objektes zulässt.
Idealerweise wird zur Intensitätsermittlung das Integral von dem zurückgestreuten Puls bestimmt. Aus Kostengründen und Gründen der Praktikabilität wird jedoch bei den zuvor beschriebenen Verfahren das Messsignal von dem Empfänger 106 nicht im gesamten Verlauf digitalisiert. Beispielsweise könnte bei Digitalisierung im gesamten Verlauf die angestrebte Frame-Rate nicht erreicht werden. Die Auswertung beschränkt sich auf die Erfassung von Schnittzeitpunkten des Messsignals oder mehrerer Messsignale mit einem vorgegebenen Referenzsignal. Daher ist die Integration des Messsignals nicht möglich. Die Intensität kann jedoch näherungsweise anhand der Schnittzeitpunkte ermittelt werden. Insbesondere können, wie zuvor beschrieben, eine Pulsbreite sowie eine Anstiegszeit aus den Schnittzeitpunkten ermittelt werden. Ferner kann, wie nachfolgend gezeigt werden wird, eine Pulshöhe aus den Schnittzeitpunkten ermittelt werden. Auf der Grundlage von Pulshöhe, Pulsbreite und/oder Anstiegszeit kann auf die Intensität des rückgestreuten Laserpulses geschlossen werden.
Zur Ermittlung der Pulshöhe können beispielsweise die Schnittzeitpunkte verwendet werden, welche durch Schnitte des einfach, des zweifach und des vierfach verstärkten Messsignals 601 , 602, 604 mit dem Referenzsignal 600 entstehen. Um die Schnittzeitpunkte miteinander verrechnen zu können, müssen sie zunächst auf die gleiche Skalierung transformiert werden. Dazu werden (sofern vorhanden) die Schnittzeitpunkte des einfach verstärkten Messsignals mit Faktor 4 und die des zweifach verstärkten Messsignals mit Faktor 2 multipliziert. Bis zu drei Schnittzeitpunkte liegen auf der steigenden und bis zu drei auf der fallenden Flanke des Pulses. In Figur 1 1 schneidet das einfach verstärkte Messsignal 601 das Referenzsignal 600 nicht, dadurch gibt es nur zwei Schnittzeitpunkte 602A, 604A auf der steigenden und zwei Schnittzeitpunkte 602B, 604B auf der fallenden Flanke. Die Schnittzeitpunkte 602A, 602B werden mit dem Faktor 2 multipliziert, wodurch die skalierten Schnittzeitpunkte 602A' und 602B' gebildet werden.
Mithilfe der skalierten Schnittzeitpunkte auf der steigenden Flanke können nun bis zu drei Steigungsgeraden bestimmt werden. Ebenso können auf der fallenden Flanke bis zu drei Steigungsgeraden ermittelt. Die jeweils steilste Steigungsgerade auf der steigenden Flanke und der fallenden Flanke werden zur Ermittlung der Pulshöhe verwendet. In dem Beispiel der Figur 1 1 schneidet das einfach verstärkte Messsignal 601 das Referenzsignal 600 nicht, wodurch nur eine Steigungsgerade 61 1 auf der steigenden Flanke und eine Steigungsgerade 612 auf der fallenden Flanke ermittelt werden können. Der Schnittpunkt 610 dieser (steilsten) Steigungsgeraden gibt die Pulshöhe an.
Diese Ermittlung der Pulshöhe eignet sich besonders bei zurückgestreutes Pulsen mit geringer bis mittlerer Intensität. Bei zurückgestreuten Pulsen mit hoher Intensität funktioniert die Abschätzung der Pulshöhe mit den Steigungsgeraden häufig weniger gut, weil das Messsignal am Pulsende sehr langsam abfällt und damit sehr flach ist.
Die Pulsbreite eines Pulses kann, wie zuvor unter Bezugnahme auf die Figuren 7 und 8 beschrieben wurde, mittels der Schnittpunkte des Messsignals und des Referenzsignals ermittelt werden. Mittels Pulsbreite kann die Intensität von Pulsen mit geringer Intensität ermittelt werden. Bei zurückgestreuten Pulsen mit hoher Intensität funktioniert die Abschätzung der Intensität mittels Pulsbreite nicht, weil das Messsignal ab einer gewissen Intensität mit steigender Intensität nicht mehr breiter wird.
Mit zunehmender Intensität des vom Empfänger 106 empfangenen Lichts steigt das Messsignal steiler an. Damit ist die Steigung der steigenden Flanke ein Maß für die Intensität. Sie steigt monoton mit der Intensität des empfangenen Lichts. Aus der Steigung kann jedoch nicht die Intensität im physikalischen Sinne ermittelt werden und damit auch nicht der Reflexionsgrad des Objektes. Die Steigung reicht aber aus, um Objekte mit unterschiedlichem Reflexionsgrad zu differenzieren und eignet sich daher als Kennwert für die Intensität des zurückgestreuten Lichts. Aus der Steigung kann wie folgt ein Intensitätswert ermittelt werden.
Falls alle drei verstärkten Messsignale 601 , 602, 604 das Referenzsignal 600 schneiden, kann die Anstiegszeit Ät4i ermittelt werden, wie in Figur 9 gezeigt. Das Referenzsignal 600 kann in dem Bereich der Schnittzeitpunkte als im Wesentlichen konstant angesehen werden. Mit dem Signalwert U des Referenzsignals im Bereich der Schnittzeitpunkte ergibt sich daraus die Steigung 3 U
m4i =
At41
Ein Intensitätswert kann anhand der Steigung rrm aus einer zuvor bestimmten Zuordnung, beispielsweise einer Tabelle, ermittelt werden.
Falls nur zwei verstärkte Messsignale 602, 604 das Referenzsignal 600 schneiden, wird die Steigung mit Anstiegszeit h i berechnet:
Figure imgf000024_0001
Ein Intensitätswert kann anhand der Steigung m42 aus einer zuvor bestimmten Zuordnung, beispielsweise einer Tabelle, ermittelt werden. Falls nur das vierfach verstärkte Messsignal 604 das Referenzsignal 600 schneidet, wird der Intensitätswert auf einen vorgegebenen Wert gesetzt, beispielsweise auf den Wert 1.
Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Entfernungsbestimmung eines Umfeldobjekts mittels einer Laufzeitmessung von Licht durch eine Messvorrichtung, umfassend:
Starten (302) eines Zeitgebers (211-213) im Zusammenhang mit dem Aussenden (301) des Lichts (1 18),
Erzeugen (303) eines Referenzsignals (600), welches einen vorgegebenen zeitlich veränderlichen Signalwert aufweist,
Erfassen (304) eines Messsignals (601) eines Empfängers (106) des Lichts (1 12), Durchführen (307) eines Vergleichs des Messsignals (601) mit dem Referenzsignal
(600),
Bestimmen (308) mindestens eines Schnittzeitpunkts (602A, 602B, 604A, 604B) in Abhängigkeit von dem Vergleich, wobei der Schnittzeitpunkt (602A, 602B, 604A, 604B) basierend auf dem Zeitgeber (21 1-213) einen Zeitpunkt anzeigt, zu welchem ein Werteverlauf des Messsignals (601) einen Werteverlauf des Referenzsignals (600) schneidet, und
Bestimmen (313) einer Entfernung basierend auf dem mindestens einen Schnittzeitpunkt (602A, 602B, 604A, 604B).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , ferner umfassend:
Erzeugen mehrerer Messsignale (601 , 602, 604), wobei die mehreren Messsignale (601 , 602, 604) das Messsignal (601) und mindestens ein weiteres Messsignal (602, 604) umfassen, wobei ein jeweiliges weiteres Messsignal (602, 604) durch Verstärken des Messsignals (601) mit einem jeweiligen Faktor gebildet wird,
Vergleichen (307) eines jeden Messsignals der mehreren Messsignale (601 , 602, 604) mit dem Referenzsignal (600), und
Bestimmen (308) mindestens eines jeweiligen Schnittzeitpunkts (602A, 602B, 604A, 604B) in Abhängigkeit von dem Vergleich des jeweiligen Messsignals (601 , 602, 604) mit dem Referenzsignal (600) mittels des Zeitgebers (211-213).
3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend:
Bestimmen eines jeweiligen ersten Schnittzeitpunkts (602A, 604A), welcher anzeigt, wann das jeweilige Messsignal (601 , 602, 604) das Referenzsignal (600) überschreitet,
Bestimmen eines jeweiligen zweiten Schnittzeitpunkts(602B, 604B), welcher anzeigt, wann das jeweilige Messsignal (601 , 602, 604) das Referenzsignal (600) unterschreitet, und Bestimmen einer Pulsbreite für das jeweilige Messsignal (601 , 602, 604) in Abhängigkeit von dem jeweiligen ersten Schnittzeitpunkt (602A, 604A) und dem jeweiligen zweiten Schnittzeitpunkt (602B, 604B).
4. Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend:
Bestimmen einer Pulshöhe für das Messsignal (601 , 602, 604) in Abhängigkeit von den ersten Schnittzeitpunkten (602A, 604A) und den zweiten Schnittzeitpunkten (602B, 604B).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4, ferner umfassend:
Bestimmen eines jeweiligen Schnittzeitpunkts (602A, 604A), welcher anzeigt wann das jeweilige Messsignal (601 , 602, 604) das Referenzsignal (600) überschreitet,
Bestimmen mindestens einer Pulsanstiegszeit aus einer Zeitdifferenz zwischen jeweiligen Schnittzeitpunkten (602A, 604A) von verschiedenen Messsignalen (601 , 602, 604).
6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 5, ferner umfassend:
- Bestimmen eines Kompensationswerts für die Entfernung in Abhängigkeit von zumindest einem von der Pulsbreite und der Pulsanstiegszeit.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, ferner umfassend:
- Bestimmen eines Reflexionsgrads des Umfeldobjekts (200) in Abhängigkeit von zumindest einem von der Pulsbreite, der Pulsanstiegszeit und der Pulshöhe.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Referenzsignal (600) mit einem Digital-/Analog-Wandler (206) mit einem nachgeschalteten Tiefpassfilter erzeugt wird.
9. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Referenzsignal (600) einen ersten zeitlichen Abschnitt, in welchem ein Signalwert des Referenzsignals (600) einen konstanten Wert aufweist, und einen zweiten zeitlichen Abschnitt, in welchem ein Signalwert des Referenzsignals (600) mit fortlaufender Zeit verringert wird, umfasst.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei sich in dem zweiten zeitlichen Abschnitt der Signalwert des Referenzsignals (600) in Abhängigkeit einer Exponentialfunktion oder einer quadratischen Funktion mit fortlaufender Zeit verringert.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (102) zur Durchführung der Entfernungsbestimmung in unterschiedliche Richtungen in Bezug auf die Messvorrichtung (102) ausgestaltet ist, wobei das Referenzsignal (600) in Abhängigkeit von einer Richtung einer derzeitigen Entfernungsbestimmung erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: Hoch passfiltern des Messsignals (601) von dem Empfänger (106).
13. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend:
Erzeugen des Referenzsignals (600) in Abhängigkeit von einer Sendelichtleistung des Lichts (1 18).
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Messvorrichtung (102) ferner eine optische Einrichtung (103, 104, 105, 107, 108, 113, 1 14, 1 15) zugeordnet ist, durch welche das von einem optischen Sender (101) ausgesandte Licht (118) und ein von dem Empfänger (106) empfangenes optisches Signal (112) verlaufen, wobei das Verfahren ferner umfasst:
Erzeugen (303) des Referenzsignals (600) in Abhängigkeit von einer Reflexionseigenschaft der optischen Einrichtung (103, 104, 105, 107, 108, 113, 114, 115).
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Empfänger (106) eine Anordnung von Einzelphoton-Avalanche-Dioden umfasst.
16. Messvorrichtung zur Entfernungsbestimmung eines Umfeldobjekts mittels einer Laufzeitmessung von Licht, umfassend:
einen optischen Empfänger (106), welcher ein Messsignal (601) in Abhängigkeit von dem empfangenen Licht (112) bereitstellt,
einen Zeitgeber (21 1-213),
eine Referenzsignalerzeugungsvorrichtung (206) zur Erzeugung eines
Referenzsignals (600),
einen Komparator (208-210), welcher in Abhängigkeit von dem Messsignal (601) und dem Referenzsignal (600) ein Vergleichssignal erzeugt, und
eine Verarbeitungsvorrichtung (201), welche ausgestaltet ist,
den Zeitgeber (21 1-213) im Zusammenhang mit dem Aussenden des Lichts (1 18) zu starten,
die Referenzsignalerzeugungsvorrichtung (206) anzusteuern, das
Referenzsignal (600) mit einem vorgegebenen zeitlich veränderlichen Signalwert zu erzeugen, anhand des Vergleichssignals von dem Komparator (208-210) mindestens einen Schnittzeitpunkt (602A, 602B, 604A, 604B) mittels des Zeitgebers (211-213) zu bestimmen, wobei der Schnittzeitpunkt (602A, 602B, 604A, 604B) basierend auf dem Zeitgeber (21 1-213) einen Zeitpunkt anzeigt, zu welchem ein Werteverlauf des Messsignals (601) einen Werteverlauf des Referenzsignals (600) schneidet, und
basierend auf dem mindestens einen Schnittzeitpunkt (602A, 602B, 604A, 604B) eine Entfernung zu bestimmen.
17. Messvorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Messvorrichtung (102) ausgestaltet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 2-15 auszuführen.
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