WO2022223441A1 - Range-optimised lidar system and lidar apparatus (110) and control device for such a lidar system - Google Patents

Range-optimised lidar system and lidar apparatus (110) and control device for such a lidar system Download PDF

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WO2022223441A1
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primary
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laser beam
lidar system
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Mustafa Kamil
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a range-optimized LiDAR system. Furthermore, the invention relates to a LiDAR device and a control device for such a LiDAR system.
  • LiDAR systems are usually designed as rotating scanners, micro-scanners (MEMS mirrors) or flash systems.
  • the field of view (FoV) is temporally scanned with a highly collimated laser beam.
  • the resolution in the horizontal direction is realized in fine steps with the help of an angle measurement.
  • the resolution is determined by the number of transmitter/receiver units.
  • Various macro scanners are known from the prior art. This is an optoelectronic sensor in which a macroscopic unit rotates, for example a transmitter or a detector.
  • the laser power per measurement pulse is significantly lower in scanning LiDAR systems than in a flash system, since strongly bundled lasers are used here and the receiver ideally only ever observes the small section of the FoV that is actually being illuminated by the laser.
  • a macro scanner can also have stationary transmitters and receivers, with the beam deflection being effected by a rotating macroscopic mirror.
  • the latter type of sensor is particularly advantageous when a lot of heat has to be dissipated, because a stationary (ie non-rotating) transmitter can be linked particularly effectively to larger heat sinks or other cooling components.
  • the object on which the invention is based can therefore be seen as providing a way of improving the range of the LiDAR system, in particular for applications with high driving speeds or large braking masses of the ego vehicle. This object is solved by means of the respective subject matter of the independent claims.
  • Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent subclaims.
  • a LiDAR system for detecting objects within an observation area comprising several detection areas, which has a stationary transmission device comprising a primary transmission module designed to emit a primary laser beam in the form of primary light pulses, each of which illuminates a current detection area of the observation area. and a secondary transmission module that can be selectively connected to the primary transmission module in terms of time and is designed to emit a secondary laser beam in the form of secondary light pulses that illuminate the current detection area at the same time as the primary light pulses.
  • the LiDAR system also includes an optical beam combination device designed to combine the primary laser beam and the secondary laser beam to form a combined laser beam, a scanning device designed to generate a scanning movement of the combined laser beam, by which different detection areas of the observation area are illuminated one after the other, and a receiving device with at least a light detector for detecting the light pulses reflected back by objects from the current detection area.
  • the LiDAR system includes a control device for controlling the transmission device, the control device being designed to control the emission of the secondary laser beam by the secondary transmission module independently of the emission of the primary laser beam by the primary transmission module. The use of a switchable secondary transmitter module enables an improved maximum range of the LiDAR system.
  • the secondary transmission module can serve as a "boost mode" that can be switched on to improve the SNR when there is a lot of background light. Furthermore, the use of a secondary transmission module that can be controlled independently of the primary transmission module results in redundancy, through which defects in one of the two transmission modules can be compensated. In the event of a defective primary or secondary transmitter module, the functional transmitter module continues to operate in a normal operating mode, resulting in a failure of the LiDAR system. If necessary, there is only a degeneration of the driving functions, since the corresponding vehicle may no longer be able to drive as fast.
  • SNR Signal-to-noise ratio
  • control device is designed to selectively connect the secondary transmission module to the primary transmission module during a scanning process in order to illuminate selected areas of the observation area with a relatively high pulse peak power resulting from the addition of the primary and secondary light pulses.
  • the control device is also designed to selectively deactivate the secondary transmission module during the scanning process in order to illuminate non-selected areas of the observation area with a relatively low pulse peak power provided only by the primary light pulses of the primary transmission module.
  • a usable signal can be achieved by increasing the pulse peak power. For example, similar to a radar system, you can look further in the middle than to the side, or you can look selectively to the right and left at a crossroads with a longer range for fast approaching vehicles. Furthermore, for autopilot applications (HWP, Highway Pilot), only one's own lane can be selectively measured with a long range. By temporal timing of the secondary pulses, the Activation in the course of the horizontal scan can be selected and controlled from the outside. In addition, curved motorway sections can also be scanned in advance for objects such as "Lost Cargo".
  • control device is designed to switch on the second transmission module in order to illuminate at least one of the following areas with a long range, namely a narrow central area in front of an ego vehicle for monitoring its own lane and at least one area to the side of an ego vehicle for detecting approaching vehicles on crossing or intersecting or merging roads.
  • a long range namely a narrow central area in front of an ego vehicle for monitoring its own lane and at least one area to the side of an ego vehicle for detecting approaching vehicles on crossing or intersecting or merging roads.
  • the optical beam combination device is designed in the form of a deflection mirror with a passage opening.
  • the deflection mirror, the primary laser beam and the secondary laser beam are aligned with one another in such a way that a first of the two laser beams passes through the passage opening, while the other of the two laser beams is deflected by the deflection mirror in an edge area of the passage opening in such a way that the two Superimpose laser beams to form the combined laser beam.
  • the deflection mirror designed as a perforated mirror enables the two laser beams to be added efficiently at the same time only a very small loss in the receiving path.
  • the use of a single component for beam combination enables a relatively small and flat design of the device.
  • the transmission device and/or at least one optics optically connected downstream of the transmission device is designed to generate a beam profile in the form of a vertical line for the primary and secondary laser beams.
  • the passage opening of the deflection mirror is designed in the form of a vertical slit. This measure allows the observation space to be scanned column by column.
  • the specially shaped through opening enables the two linear laser beams to be superimposed particularly well.
  • the second transmission module is essentially identical to the first transmission module.
  • identical and synchronous light pulses can be generated relatively easily, which can be added particularly well. As a result, particularly high pulse peak powers are achieved.
  • use of identical transmission modules also results in cost advantages in production.
  • the control device is designed to use that of the two transmission modules as the secondary transmission module which meets at least one of the following criteria, namely that the corresponding transmission module, due to its design, its installation location and/or its relative to the other Transmission module poorer thermal connection to a heat sink has a greater cooling requirement or that the corresponding transmission module has a current higher temperature due to the situation.
  • This measure ensures particularly efficient operation that is gentle on the components involved.
  • that one of the two transmission modules which would heat up more in normal operation can be selected for the secondary operation. If the transmitter modules are designed identically, it doesn't matter which one in normal operating mode (ie medium range). of the two transmitter modules emits the primary laser beam.
  • control device is designed to switch on the second transmission module only when a predefined driving speed of an ego vehicle equipped with the LiDAR system is exceeded. Since the long ranges achieved for the automated driving functions with the help of the switched-on secondary transmitter module are only required at higher speeds and, as expected, at these speeds there are no people in the immediate vicinity of the LiDAR system, an intelligent operating mode can be provided in which the secondary transmitter module only switched on at higher speeds. In this way, eye safety can be guaranteed despite the relatively high pulse peak power.
  • the LiDAR system includes an external interface designed to receive control signals via an external signal line.
  • the control device is designed to activate and deactivate the secondary transmission module when a corresponding control signal is received via the external interface. Since the external controllability is advantageously available at the system interface, the driving function or the central control computer of the ego vehicle can influence the increase in range depending on the situation.
  • the LiDAR system can thus be integrated particularly well into the control concept of automated vehicles.
  • a LiDAR device for the LiDAR system described above, which comprises a stationary transmission device, a primary transmission module designed to emit a primary laser beam in the form of primary light pulses, each of which illuminates a current detection area of the observation area, and a to the primary transmission module time-selectively switchable secondary transmission module designed to emit a secondary laser beam in the form of secondary light pulses, which illuminate the current detection area at the same time as the primary light pulses.
  • the LiDAR system also includes an optical beam combination device designed to combine the primary laser beam and the secondary laser beam to form a combined laser beam, a scanning device designed to generate a scanning movement of the combined laser beam, by which different detection areas of the observation area are illuminated one after the other, and a receiving device with at least a light detector for detecting the light pulses reflected back by objects from the current detection area.
  • a control device for the above-mentioned LiDAR system, wherein the control device is designed to switch the secondary transmission module on to the primary transmission module selectively in terms of time during a scanning process in order to provide selected areas of the observation area with one of the addition of the primary and to illuminate secondary light pulses resulting relatively high pulse peak power.
  • the control device is also designed to selectively deactivate the secondary transmission module during the scanning process in order to illuminate non-selected areas of the observation area with a relatively low pulse peak power provided only by the primary light pulses of the primary transmission module.
  • FIG. 1 shows a schematic of the functioning of a LiDAR system for detecting objects in an observation area of its surroundings
  • FIG. 2 shows schematically the structure of a LiDAR system with a static transmission module and a rotating deflection mirror
  • 3 schematically shows the structure of a LiDAR system with two static transmission modules and a rotating deflection mirror
  • FIG. 4 shows a schematic diagram with the time profile of the light output of different light pulses of the LiDAR system from FIG. 3;
  • FIG. 5 shows a schematic of a vehicle in which a wide detection area with a medium range and a narrow central detection area with a long range are realized with the aid of the LiDAR system;
  • FIG. 6 shows a schematic of a vehicle in which a wide detection area with a medium range and two narrow lateral detection areas with a long range are realized with the aid of the LiDAR system.
  • the concept described here envisages a pulsed LiDAR system, which is preferably used as a macro scanner with a mirror rotated about the vertical axis, for example by means of an electric drive unit, a one-dimensional transmission and reception path for column illumination and column detection with optional macro-pixel formation in the horizontal and vertical directions, and a stationary laser, detector, electronics and optics.
  • a key aspect of the new LiDAR system is a secondary transmitter module that can be switched on independently of the primary transmitter module of the LiDAR system.
  • the secondary transmission module is preferably designed identically to the primary transmission module of the LiDAR system, with the wavelength, beam shape, optics, pulse length, pulse frequency, etc. being the same for both transmission modules, so that the same vertical column (laser beam with linear beam profile) as emission results.
  • the emission of the secondary transmission module is inserted into the optical path of the primary transmission module in such a way that the columns emitted by the two transmission modules are already added to one another in the device.
  • a relatively high pulse peak power and pulse energy is generated, which optionally and controllably enables long-range operation in selected, horizontal solid angles.
  • 1 shows a schematic of a LiDAR system 100 scanning its surroundings 200 using a pulsed laser beam 122.
  • the LiDAR system 100 comprises a LiDAR device 110 and a control device 190 for controlling the LiDAR device 110.
  • the LiDAR device 110 comprises a stationary transmitting and receiving device 111 with a transmitting device 120, which has a transmitting module 121 for generating the laser beam 122, and a receiving device 130, which has an arrangement, not shown here, of at least one detector 131 for detecting the laser beam 122 reflected on objects 201 in Form of a reflected light radiation 129.
  • the laser beam 122 scanning the observation area 210 is emitted in the form of a vertical line.
  • the corresponding receiving device 130 typically has a detector arrangement 131 with a plurality of detectors arranged vertically one above the other in the form of a detector array.
  • the LiDAR device 110 includes an optical device 160 with at least one or more optics, not shown here, for collimating the emitted laser beam 122 and shaping its beam profile and for imaging the received light radiation 129 on the at least one detector 131.
  • the LiDAR Device has a scanning device 150, which consists, for example, of a rotating mirror and a suitable motorized drive device (not shown here). With the aid of the scanning device 150 , the laser beam 122 is typically guided in a periodic scanning movement 153 over a defined observation area 210 of the surroundings 200 which defines the current field of view of the LiDAR system 100 .
  • the observation area 110 is scanned in small steps, with the light pulses of the pulsed laser beam 122 successively illuminating a small detection area 2111 - 211 , which in each case represents a small section of the observation area 210 .
  • the light 129 reflected back by an object 201 from the respective detection region 211i-211 is directed by the scanning device 150 to the receiving device 130 and detected by the at least one detector of the detector arrangement.
  • the control device 190 can comprise several components, such as an activation device 191 for Activation of the transmission device 120 or the transmission module 121.
  • the control device 190 can also contain further components, such as an evaluation device 192 for evaluating the measurement signals of the at least one detector 131.
  • Such an evaluation device 192 can be activated based on the propagation times of the different detection areas 2111 - 211, receive laser pulses to calculate a model of the environment 200 in the form of a point cloud.
  • the control device 190 can also have an external interface 193 for communication with higher-level control devices.
  • the components of the LiDAR device 110 shown in the present example are accommodated in a common housing 101, which has a window 102 that is transparent to the light radiation used in each case.
  • the control device 190 or parts of the control device 190 can also be accommodated inside the housing 101 .
  • FIG. 2 schematically shows a detailed view of the LiDAR device 110 of the LiDAR system 100 from FIG. 1 in a known embodiment.
  • the transmission device 120 comprises only a single transmission module 121 .
  • the laser beam 122 emitted by the transmission module 121 is deflected by means of a first deflection mirror 142 onto a mirror 151 of the scanning device 150 rotating about an axis 152 in the direction of the window 102 through which it leaves the housing 101 .
  • the reflected light radiation 129 which enters the housing 101 of the LiDAR device 110 via the window 102, is deflected by the rotating mirror 151 of the scanning device 150 and reaches the at least one detector 131 of the receiving device 130 via a second deflection mirror 143. How already explained in connection with FIG.
  • FIG. 3 schematically shows a detailed view of the LiDAR device 110 of the LiDAR system 100 from FIG. 1 in an embodiment according to the invention.
  • the modified transmission device 120 now includes two transmission modules 121, 124, which serve as emitters that can be controlled independently of one another.
  • the two transmission modules 121, 124 are preferably technically identical in design, so that they each emit identical laser radiation 121, 125.
  • the two transmission modules 121, 124 are assigned optional optics 1611, 1612 for collimation, which are preferably also designed identically. As a result, both transmission modules 121, 124 emit electric laser beams 122, 125 which, by means of a suitable beam combination device 140, are already optimally added in the device.
  • a deflection mirror 140 equipped with a passage opening 141 is used as a possible beam combination device 140 , which deflects a first of the two laser beams 122 , 125 while allowing the respective other laser beam to pass through the passage opening 124 .
  • the primary light beam 122 of the primary transmission module 121 is deflected at the reversing mirror 140 in the direction of the scanning device 150, while the secondary light beam 125 of the secondary transmission module 124, which is located behind the deflection mirror 140 in the present example, passes through the passage opening 141.
  • the primary light beam 122 strikes an edge region 142 as close as possible to the passage opening 141 on the deflection mirror 140 .
  • the two laser beams 122, 125 are brought as close as possible to one another, so that their optical paths are already superimposed in the device and the two laser beams 122, 125 are therefore added.
  • the two laser beams 122, 125 leave the LiDAR device 100 in the form of a combined laser beam 127.
  • the combined laser beam 127 has light pulses 128 with a significantly increased pulse peak power. It makes sense to design the deflection mirror 140 as a large mirror with a slightly offset lateral gap (vertical passage opening). For a good addition of the laser beams 122,
  • the two transmission modules 121, 125 are technically identical and have identical operating conditions, such as temperature, Experienced. Furthermore, it is necessary for the two laser beams 122, 125 to strike one another optimally in terms of space and time.
  • the reception path of the LiDAR device 110 can essentially remain unchanged.
  • the light radiation 129 that is reflected back is also deflected by the rotating mirror 151 onto the deflection mirror 140, which in turn deflects the light radiation 129 that is reflected back in the direction of the at least one detector 131.
  • almost the entire playing surface of the deflection mirror 140 is available for deflecting the light radiation 129 that is reflected back, so that a relatively large amount of light can reach the detector 131 .
  • the relatively narrow passage opening 141 does not represent any significant loss of mirror surface.
  • the reflected light radiation can also be directed into the at least one detector 131 via a separate deflection mirror or another light guide.
  • the laser of the two transmission modules 121, 124 serving as emitters and the associated optics and electronics (not shown here) are arranged in a stationary manner on the stator.
  • the detector 121 of the receiving device 120 and the associated optics 163, 164 and electronics (not shown here) are arranged in a stationary manner on the stator. This results in well-known advantages for heat dissipation as well as energy and data transmission compared to a rotating LiDAR system.
  • the installation space is not increased, or at least not significantly so. This can be realized, for example, by placing the secondary transmission module 124 in the corner behind the deflection mirror 140 .
  • the number n of photons arriving in the detector 131 at a point in time t serves as the unit of the ordinate axis.
  • the two light pulses 123, 126 add up to a significantly larger combined light pulse 128.
  • the combined light pulse 128 has a significantly improved signal-to-noise ratio compared to the individual pulses 123, 126 due to a higher pulse peak power in its edge regions (t ⁇ ti and t>ts) due to the pulse addition.
  • the primary light pulse 123 arrives at the point in time t2, while the secondary light pulse 126 arrives at a somewhat later point in time U.
  • This small time offset ⁇ t leads to a broadening of the combined light pulse 128 with a simultaneous reduction in its maximum amplitude.
  • These undesirable effects lead to a reduction in the accuracy of the LiDAR system 100. It is therefore necessary for the two light pulses 123, 126 to arrive in the respective target area as synchronously as possible. Possible inaccuracies in the temporal synchronization of the primary and secondary light pulses 123,
  • jitter effects which also lead to a reduction in measurement accuracy, can be treated by primary and secondary pulses that tend to be slightly longer and therefore flatter peaks.
  • the range of the LiDAR system 100 can be increased by temporarily switching on the secondary transmission module 124 to improve the view in any spatial angle of the observation area 210 .
  • FIGS. 5 shows a first driving situation of an ego vehicle 300 equipped with the LiDAR system 100 according to the invention.
  • the current observation area 210 is scanned in a relatively narrow central area 213 with a high pulse peak power achieved by switching on the secondary transmission module 124 . Due to the long range achieved in the relevant central area 213, one's own lane can be scanned for possible obstacles in advance.
  • the two left and right of the central area 213 arranged areas 212, 114 with a by switching off the secondary Transmitting module 124 sampled reduced pulse peak power.
  • these areas 212, 214 this results in a medium range of the LiDAR system 100 that is usually used to scan the observation area 210. Since the long ranges achieved with the help of the switched-on secondary transmission module 124 for the automated driving functions are generally only required at higher speeds and If, as expected, there are no people in the immediate vicinity 200 of the LiDAR system 100 at higher speeds, an intelligent operating mode can be provided in which the secondary transmission module 124 is only switched on at higher speeds or only above a certain speed. In this way, eye safety can be guaranteed despite the relatively high pulse peak power.
  • the driving situation shown in FIG. 6, corresponds to ego vehicle 300 approaching a street crossing.
  • the ego vehicle 300 can use the LiDAR system 100 to scan the crossing road for rapidly approaching vehicles.
  • the secondary transmission module 124 is switched on in the lateral areas 216, 218 located at the edge of the observation area 210 in order to enable a lateral distant view of the crossing road and the objects located thereon.
  • the areas 215, 217, 219 are only scanned with a medium range, which is done by switching off the secondary transmission module 124 during the scanning process of the areas 215, 217, 219 in question.
  • the transmission modules can include one or more laser light sources, which are designed, for example, as edge emitters, VCSELs, VeCSELs. Such a transmission module can illuminate the observation area, for example, by means of individual spots, linearly or sequentially arranged, discrete individual source spots, line and column lighting, and area lighting (flash).
  • the scanning device can comprise one or more light deflection units, in particular a macroscopic mirror which rotates about its vertical axis and has at least one reflecting surface. A front and rear reflection as well as polygon mirrors with several reflecting surfaces are also possible.
  • the LiDAR system can be of various have independent features of the optical paths with, for example, spherical and cylindrical lenses, separate parallel and non-parallel beam paths and locally coincident beam paths, as well as stationary deflection mirrors and optical filters for the transmission and reception path.
  • an individual detector linearly and sequentially arranged, discrete individual detectors, a 1D array or a 2D array with or without superpixel formation (macropixels), with common evaluation circuits and methods (e.g. histogram formation with SPADs) are used for detection.
  • Various detector technologies such as imager, PIN, PSD, APD, SPAD or SiPM can be used.
  • the detector pixels can also be activated successively in order to increase the signal-to-noise ratio of the sensor.

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Abstract

The invention relates to a LiDAR system (100) for detecting objects (201) within an observation region (210) comprising a plurality of detection regions (2111 - 211i), comprising: - a stationary transmission device (120) comprising a primary transmission module (121) designed for emitting a primary laser beam (122) in the form of primary light pulses (123), each of which illuminates a current detection region (211) of the observation region (200), and a secondary transmission module (124) which can be connected in a temporally selective manner to the primary transmission module (121) and which is designed to emit a secondary laser beam (125) in the form of secondary light pulses (126), each of which illuminates the current detection region (211) at the same time as the primary light pulses (122); - an optical beam combination device (140) designed to combine the primary laser beam (122) and the secondary laser beam (125) to form a combined laser beam (127); - a scanning device (150) designed to generate a scanning movement (153) of the combined laser beam (127), by means of which different detection regions (2111 - 211i) of the observation region (210) are successively illuminated; - a receiving device (130) having at least one light detector (131) for detecting the light pulses (123, 126) reflected back by objects (201) from the current detection region (211) in question; and - a control device (190) for controlling the transmission device (120), wherein the control device (190) is designed to control the emission of the secondary laser beam (125) by the secondary transmission module (124) independently of the emission of the primary laser beam (122) by the primary transmission module (121).

Description

Beschreibung description
Titel title
Reichweitenoptimiertes LiDAR-Svstem sowie LiDAR-Vorrichtung (110) undRange-optimized LiDAR system and LiDAR device (110) and
Steuereinrichtung für ein solches LiDAR-Svstem Control device for such a LiDAR system
Die Erfindung betrifft ein reichweitenoptimiertes LiDAR-System. Ferner betrifft die Erfindung eine LiDAR-Vorrichtung und eine Steuereinrichtung für ein solches LiDAR-System. The invention relates to a range-optimized LiDAR system. Furthermore, the invention relates to a LiDAR device and a control device for such a LiDAR system.
Stand der Technik State of the art
Aktuelle LiDAR-Systeme sind üblicherweise als rotierende Scanner, Mikro- Scanner (MEMS-Spiegel) oder Flash-Systeme ausgeführt. Beim scannenden LiDAR-System wird das Gesichtsfeld (engl. Field of View, FoV) zeitlich mit einem stark kollimierten Laserstrahl abgetastet. Die Auflösung in horizontaler Richtung wird mit Hilfe einer Winkelmessung in feinen Schritten realisiert. In vertikaler Richtung wird die Auflösung hingegen durch die Anzahl der Sende-/ Empfangseinheiten bestimmt. Aus dem Stand der Technik sind dabei verschiedene Makroscanner bekannt. Hierbei handelt es sich um einen optoelektronischen Sensor, bei dem eine makroskopische Einheit rotiert, beispielsweise ein Sender oder ein Detektor. Die Laserleistung pro Messpuls ist bei scannenden LiDAR-Systemen wesentlich geringer als bei einem Flash- System, da hier stark gebündelte Laser zum Einsatz kommen und der Empfänger idealerweise stets nur den kleinen Ausschnitt des FoV beobachtet, welcher aktuell vom Laser auch tatsächlich beleuchtet wird. Alternativ kann ein Makroscanner auch über ortsfeste Sender und Empfänger verfügen, wobei die Strahlablenkung dabei durch einen rotierenden makroskopischen Spiegel erfolgt. Letzterer Sensortyp ist besonders vorteilhaft, wenn viel Wärme abgeführt werden muss, denn ein ortsfester (d.h. nicht rotierender) Sender lässt sich besonders effektiv an größere Wärmesenken bzw. andere Kühlkomponenten anbinden. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, eine Möglichkeit bereitzustellen, die Reichweite des LiDAR-Systems insbesondere für Anwendungen mit hoher Fahrgeschwindigkeit oder großer Bremsmasse des Ego-Fahrzeugs zu verbessern. Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der abhängigen Unteransprüche. Current LiDAR systems are usually designed as rotating scanners, micro-scanners (MEMS mirrors) or flash systems. In the scanning LiDAR system, the field of view (FoV) is temporally scanned with a highly collimated laser beam. The resolution in the horizontal direction is realized in fine steps with the help of an angle measurement. In the vertical direction, on the other hand, the resolution is determined by the number of transmitter/receiver units. Various macro scanners are known from the prior art. This is an optoelectronic sensor in which a macroscopic unit rotates, for example a transmitter or a detector. The laser power per measurement pulse is significantly lower in scanning LiDAR systems than in a flash system, since strongly bundled lasers are used here and the receiver ideally only ever observes the small section of the FoV that is actually being illuminated by the laser. Alternatively, a macro scanner can also have stationary transmitters and receivers, with the beam deflection being effected by a rotating macroscopic mirror. The latter type of sensor is particularly advantageous when a lot of heat has to be dissipated, because a stationary (ie non-rotating) transmitter can be linked particularly effectively to larger heat sinks or other cooling components. The object on which the invention is based can therefore be seen as providing a way of improving the range of the LiDAR system, in particular for applications with high driving speeds or large braking masses of the ego vehicle. This object is solved by means of the respective subject matter of the independent claims. Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent subclaims.
Gemäß der Erfindung ist ein LiDAR-System zum Detektieren von Objekten innerhalb eines mehrere Detektionsbereiche umfassenden Beobachtungs bereichs vorgesehen, das eine stationäre Sendeeinrichtung umfassend ein primäres Sendemodul ausgebildet zum Emittieren eines primären Laserstrahls in Form von primären Lichtpulsen, die jeweils einen aktuellen Detektionsbereich des Beobachtungsbereichs beleuchten, und ein zu dem primären Sendemodul zeitlich selektiv zuschaltbares sekundäres Sendemodul ausgebildet zum Emittieren eines sekundären Laserstrahls in Form von sekundären Lichtpulsen, die den jeweils aktuellen Detektionsbereich zeitgleich mit den primären Lichtpulsen beleuchten, umfasst. Das LiDAR-System umfasst ferner eine optische Strahlkombinationseinrichtung ausgebildet zum Kombinieren des primären Laserstrahls und des sekundären Laserstrahls zu einem kombinierten Laserstrahl, eine Scaneinrichtung ausgebildet zum Erzeugen einer Scanbewegung des kombinierten Laserstrahls, durch die verschiedene Detektionsbereiche des Beobachtungsbereichs nacheinander beleuchtet werden, und eine Empfangseinrichtung mit wenigstens einem Lichtdetektor zum Detektieren der von Objekten aus dem jeweils aktuellen Detektionsbereich zurückreflektierten Lichtpulse. Schließlich umfasst das LiDAR-System eine Steuereinrichtung zum Steuern der Sendeeinrichtung, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, die Emission des sekundären Laserstrahls durch das sekundäre Sendemodul unabhängig von der Emission des primären Laserstrahls durch das primäre Sendemodul zu steuern. Die Verwendung eines zuschaltbaren sekundären Sendemodul ermöglicht eine verbesserte maximale Reichweite des LiDAR-Systems. Dabei zeigt sich aufgrund der höheren Pulsspitzenleistung eine Verbesserung des Signal-Rausch Verhältnisses (SNR, Signal Noise Ratio) und damit eine bessere Performance des LiDAR-Systems bei Hintergrund- und Störlicht. Das sekundäre Sendemodul kann dabei als "Boost-Modus" dienen, der bei viel Hintergrundlicht zur Verbesserung des SNR gezielt zugeschaltet werden kann. Ferner ergibt sich aus der Verwendung eines unabhängig vom primären Sendemodul steuerbaren sekundären Sendemodul eine Redundanz, durch welche Defekte bei einem der beiden Sendemodule ausgeglichen werden können. Bei einem defekten primären oder sekundären Sendemodul wird das jeweils funktionstüchtige Sendemodul in einen normalen Betriebsmodus weiterbetrieben, sodass es zu einem Ausfall des LiDAR-Systems kommt. Gegebenenfalls kommt es nur zu einer Degeneration der Fahrfunktionen, da das entsprechende Fahrzeug gegebenenfalls nicht mehr so schnell fahren kann. According to the invention, a LiDAR system is provided for detecting objects within an observation area comprising several detection areas, which has a stationary transmission device comprising a primary transmission module designed to emit a primary laser beam in the form of primary light pulses, each of which illuminates a current detection area of the observation area. and a secondary transmission module that can be selectively connected to the primary transmission module in terms of time and is designed to emit a secondary laser beam in the form of secondary light pulses that illuminate the current detection area at the same time as the primary light pulses. The LiDAR system also includes an optical beam combination device designed to combine the primary laser beam and the secondary laser beam to form a combined laser beam, a scanning device designed to generate a scanning movement of the combined laser beam, by which different detection areas of the observation area are illuminated one after the other, and a receiving device with at least a light detector for detecting the light pulses reflected back by objects from the current detection area. Finally, the LiDAR system includes a control device for controlling the transmission device, the control device being designed to control the emission of the secondary laser beam by the secondary transmission module independently of the emission of the primary laser beam by the primary transmission module. The use of a switchable secondary transmitter module enables an improved maximum range of the LiDAR system. Due to the higher pulse peak power, there is an improvement in the signal-to-noise ratio (SNR, Signal Noise Ratio) and thus better performance of the LiDAR system with background and stray light. The secondary transmission module can serve as a "boost mode" that can be switched on to improve the SNR when there is a lot of background light. Furthermore, the use of a secondary transmission module that can be controlled independently of the primary transmission module results in redundancy, through which defects in one of the two transmission modules can be compensated. In the event of a defective primary or secondary transmitter module, the functional transmitter module continues to operate in a normal operating mode, resulting in a failure of the LiDAR system. If necessary, there is only a degeneration of the driving functions, since the corresponding vehicle may no longer be able to drive as fast.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, das sekundäre Sendemodul während eines Scanvorgangs zeitlich selektiv zu dem primären Sendemodul zuzuschalten, um ausgewählte Bereiche des Beobachtungsbereichs mit einer aus der Addition der primären und sekundären Lichtpulse resultierenden relativ hohen Pulsspitzenleistung zu beleuchten. Die Steuereinrichtung ist dabei ferner ausgebildet, das sekundäre Sendemodul während des Scanvorgangs zeitlich selektiv zu deaktivieren, um nicht ausgewählte Bereiche des Beobachtungsbereichs mit einer lediglich durch die primären Lichtpulse des primären Sendemoduls bereitgestellten relativ niedrigen Pulsspitzenleistung zu beleuchten. Durch das gezielte Zuschalten des zusätzlichen Sendemoduls in ausgesuchten Bereichen werden Veränderungen des gängigen Sichtfelds möglich. So kann in bestimmten Bereichen gezielt weiter geschaut werden, um potentielle Gefahrenquellen früher ermitteln zu können. Ferner kann das Konzept auch dazu verwendet werden, um das Signal-Rausch Verhältnis in bestimmten Bereichen gezielt zu erhöhen. Beispielsweise kann in Bereichen, die Objekte mit nur geringer Reflektivität aufweisen, durch die Erhöhung der Pulsspitzenleistung ein brauchbares Signal erzielt werden. So kann beispielsweise ähnlich einem Radar-System zentral in der Mitte weiter geschaut werden als zur Seite oder es kann bei einer Kreuzungssituation selektiv rechts und links mit größerer Reichweite nach schnell heranfahrenden Fahrzeugen geschaut werden. Für Autopilot-Anwendungen (HWP, Highway Pilot) kann ferner selektiv nur die eigene Fahrspur mit langer Reichweite vermessen werden. Durch zeitliches Timing der sekundären Pulse kann die Aktivierung im Verlauf des horizontalen Scans selektiert und von außen gesteuert werden. Ferner können auch kurvige Autobahnabschnitte vorausschauend nach Objekten, wie z.B. "Lost Cargo" gescannt werden. In one embodiment, it is provided that the control device is designed to selectively connect the secondary transmission module to the primary transmission module during a scanning process in order to illuminate selected areas of the observation area with a relatively high pulse peak power resulting from the addition of the primary and secondary light pulses. The control device is also designed to selectively deactivate the secondary transmission module during the scanning process in order to illuminate non-selected areas of the observation area with a relatively low pulse peak power provided only by the primary light pulses of the primary transmission module. By selectively switching on the additional transmitter module in selected areas, changes in the usual field of vision are possible. In this way, specific areas can be looked at further in order to be able to identify potential sources of danger earlier. Furthermore, the concept can also be used to specifically increase the signal-to-noise ratio in certain areas. For example, in areas that have objects with only low reflectivity, a usable signal can be achieved by increasing the pulse peak power. For example, similar to a radar system, you can look further in the middle than to the side, or you can look selectively to the right and left at a crossroads with a longer range for fast approaching vehicles. Furthermore, for autopilot applications (HWP, Highway Pilot), only one's own lane can be selectively measured with a long range. By temporal timing of the secondary pulses, the Activation in the course of the horizontal scan can be selected and controlled from the outside. In addition, curved motorway sections can also be scanned in advance for objects such as "Lost Cargo".
In einerweiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, das zweite Sendemodul zuzuschalten, um wenigstens einen der folgenden Bereiche mit einer langen Reichweite zu beleuchten, nämlich einen schmalen zentralen Bereich vor einem Ego-Fahrzeug zum Überwachen der eigenen Fahrspur und wenigstens einen Bereich seitlich eines Ego-Fahrzeugs zum Detektieren von auf querenden bzw. kreuzenden oder einmündenden Straßen herannahenden Fahrzeugen. Mithilfe dieser Maßnahmen lässt sich die Fahrsicherheit von automatisierten Fahrzeugen erhöhen. Im ersten Fall kann beispielsweise ähnlich einem Radar-System zentral in der Mitte weiter geschaut werden als zur Seite, wodurch sich beispielsweise für HWP-Anwendungen selektiv nur die eigene Fahrspur mit langer Reichweite vermessen lässt. In a further embodiment, it is provided that the control device is designed to switch on the second transmission module in order to illuminate at least one of the following areas with a long range, namely a narrow central area in front of an ego vehicle for monitoring its own lane and at least one area to the side of an ego vehicle for detecting approaching vehicles on crossing or intersecting or merging roads. These measures can be used to increase the driving safety of automated vehicles. In the first case, for example, similar to a radar system, you can look further in the middle than to the side, which means that you can only selectively measure your own lane with a long range for HWP applications, for example.
Hingegen kann bei einer Kreuzungssituation selektiv rechts und links mit größerer Reichweite nach schnell heranfahrenden Fahrzeugen geschaut werden. Insgesamt kann durch das gezielte Zuschalten des sekundären Sendemoduls in bestimmten Bereichen eine bessere Übersicht über das Verkehrsgeschehen erreicht werden, was mit einer Erhöhung der Fahrsicherheit insbesondere bei automatisierten Fahrzeugen einhergeht. On the other hand, in an intersection situation, you can selectively look to the right and left with a longer range for fast approaching vehicles. Overall, by switching on the secondary transmission module in specific areas, a better overview of the traffic situation can be achieved, which is associated with an increase in driving safety, particularly in automated vehicles.
In einerweiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die optische Strahlkombinationseinrichtung in Form eines Umlenkspiegels mit einer Durchlassöffnung ausgebildet ist. Dabei sind der Umlenkspiegel, der primäre Laserstrahl und der sekundäre Laserstrahl so zueinander ausgerichtet, dass ein erster der beiden Laserstrahlen durch die Durchlassöffnung hindurchtritt, während der jeweils andere der beiden Laserstrahlen in einem Randbereich der Durchgangsöffnung von dem Umlenkspiegel so umgelenkt wird, dass sich die beiden Laserstrahlen zu dem kombinierten Laserstrahl überlagern. Eine derartige Strahlkombinationseinrichtung ermöglicht eine Kombination der beiden Laserstrahlen bereits im Gerät, wodurch eine besonders gute räumliche Überlagerung der beiden Laserstrahlen und damit auch eine besonders gute Pulsspitzenleistung erreicht wird. Dabei ermöglicht der als Lochspiegel ausgebildete Umlenkspiegel eine effiziente Addition der beiden Laserstrahlen bei gleichzeitig einem nur sehr geringen Verlust im Empfangspfad. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung eines einzelnen Bauteils zur Strahlkombination eine relativ kleine bzw. flache Bauweise des Geräts. In a further embodiment it is provided that the optical beam combination device is designed in the form of a deflection mirror with a passage opening. The deflection mirror, the primary laser beam and the secondary laser beam are aligned with one another in such a way that a first of the two laser beams passes through the passage opening, while the other of the two laser beams is deflected by the deflection mirror in an edge area of the passage opening in such a way that the two Superimpose laser beams to form the combined laser beam. Such a beam combination device enables a combination of the two laser beams already in the device, as a result of which particularly good spatial superimposition of the two laser beams and thus also particularly good pulse peak power is achieved. The deflection mirror designed as a perforated mirror enables the two laser beams to be added efficiently at the same time only a very small loss in the receiving path. In addition, the use of a single component for beam combination enables a relatively small and flat design of the device.
In einerweiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sendeeinrichtung und/oder wenigstens eine der Sendeeinrichtung optisch nachgeschaltete Optik ausgebildet ist, bei den primären und sekundären Laserstrahlen jeweils ein Strahlprofil in Form einer vertikalen Linie zu erzeugen. Dabei ist die Durchlassöffnung des Umlenkspiegels in Form eines vertikalen Schlitzes ausgebildet. Durch diese Maßnahme kann der Beobachtungsraum spaltenweise gescannt werden. Darüber hinaus ermöglich die speziell geformte Durchgangsöffnung eine besonders gute Überlagerung der beiden linienförmigen Laserstrahlen. In a further embodiment, it is provided that the transmission device and/or at least one optics optically connected downstream of the transmission device is designed to generate a beam profile in the form of a vertical line for the primary and secondary laser beams. The passage opening of the deflection mirror is designed in the form of a vertical slit. This measure allows the observation space to be scanned column by column. In addition, the specially shaped through opening enables the two linear laser beams to be superimposed particularly well.
In einerweiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zweite Sendemodul im Wesentlichen identisch zu dem ersten Sendemodul ausgebildet ist. Mithilfe der identischen Sendemodul können relativ einfach identische und synchrone Lichtpulse erzeugt werden, die sich besonders gut addieren lassen. Hierdurch werden besonders hohe Pulsspitzenleistungen erzielt. Ferner ergeben sich durch die Verwendung identischer Sendemodule auch Kostenvorteile bei der Herstellung. In a further embodiment it is provided that the second transmission module is essentially identical to the first transmission module. With the help of the identical transmitter module, identical and synchronous light pulses can be generated relatively easily, which can be added particularly well. As a result, particularly high pulse peak powers are achieved. Furthermore, the use of identical transmission modules also results in cost advantages in production.
In einerweiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, als sekundäres Sendemodul dasjenige der beiden Sendemodule zu verwenden, welches wenigstens eines der folgenden Kriterien erfüllt, nämlich dass das entsprechende Sendemodul aufgrund seiner Bauart, seinem Einbauort und/oder seiner relativ zu dem jeweils anderen Sendemodul schlechteren thermischen Anbindung an eine Wärmesenke einen größeren Kühlbedarf aufweist oder dass das entsprechende Sendemodul situationsbedingt eine aktuell höhere Temperatur aufweist. Durch diese Maßnahme kann ein besonders effizienter und für die beteiligten Komponenten schonender Betrieb sichergestellt werden. Insbesondere kann im ersten Fall dasjenige der beiden Sendemodule für den Sekundärbetrieb ausgewählt werden, welches sich im Normalbetrieb stärker erwärmen würde. Sofern die Sendemodule identisch ausgelegt sind, ist es im normalen Betriebsmodus (d.h. mittlere Reichweite) ganz gleich, welches der beiden Sendemodule den primären Laserstrahl emittiert. Somit ergibt sich im zweiten Fall ein Vorteil für das thermische Management, denn das tendenziell eher abzukühlende Sendemodul wird in den Sekundärbetrieb versetzt und erwärmt sich durch seine reduzierte Pulszahl nur noch geringfügig. Grundsätzlich lässt sich hiermit auch ein flexibler Modus vorsehen, in dem jedes der beiden Sendemodule abwechselnd im Primär- und Sekundärbetrieb betrieben wird. In a further embodiment, it is provided that the control device is designed to use that of the two transmission modules as the secondary transmission module which meets at least one of the following criteria, namely that the corresponding transmission module, due to its design, its installation location and/or its relative to the other Transmission module poorer thermal connection to a heat sink has a greater cooling requirement or that the corresponding transmission module has a current higher temperature due to the situation. This measure ensures particularly efficient operation that is gentle on the components involved. In the first case, in particular, that one of the two transmission modules which would heat up more in normal operation can be selected for the secondary operation. If the transmitter modules are designed identically, it doesn't matter which one in normal operating mode (ie medium range). of the two transmitter modules emits the primary laser beam. In the second case, there is an advantage for thermal management, because the transmitter module, which tends to be cooled down, is switched to secondary operation and only heats up slightly due to its reduced number of pulses. In principle, a flexible mode can also be provided in this way, in which each of the two transmission modules is operated alternately in primary and secondary operation.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung ausgebildet, das zweite Sendemodul erst bei einer Überschreitung einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit eines mit dem LiDAR-System ausgestatteten Ego- Fahrzeugs zuzuschalten. Da die mithilfe des zugeschalteten sekundären Sendemoduls erzielten langen Reichweiten für die automatisierten Fahrfunktionen nur bei höheren Geschwindigkeiten benötigt werden und bei diesen Geschwindigkeiten erwartungsgemäß sich keine Menschen in unmittelbarer Umgebung des LiDAR-Systems befinden, kann ein intelligenter Betriebsmodus vorgesehen werden, bei dem das sekundäre Sendemodul nur bei höheren Geschwindigkeiten zugeschaltet wird. Hierdurch lässt sich die Augensicherheit trotz der relativ hohen Pulsspitzenleistung gewährleistet werden. According to a further embodiment, the control device is designed to switch on the second transmission module only when a predefined driving speed of an ego vehicle equipped with the LiDAR system is exceeded. Since the long ranges achieved for the automated driving functions with the help of the switched-on secondary transmitter module are only required at higher speeds and, as expected, at these speeds there are no people in the immediate vicinity of the LiDAR system, an intelligent operating mode can be provided in which the secondary transmitter module only switched on at higher speeds. In this way, eye safety can be guaranteed despite the relatively high pulse peak power.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform umfasst das LiDAR-System eine externe Schnittstelle ausgebildet zum Empfangen von Steuersignalen über eine externe Signalleitung. Dabei ist die Steuereinrichtung ausgebildet, das sekundäre Sendemodul zu aktivieren und zu deaktivieren, wenn über die externe Schnittstelle ein entsprechendes Steuersignal empfangen wird. Da die externe Steuerbarkeit vorteilhaft an der Systemschnittstelle verfügbar ist, kann die Fahrfunktion bzw. der zentrale Leitrechner des Ego-Fahrzeugs die Erhöhung der Reichweite situationsabhängig beeinflussen. Somit lässt sich das LiDAR-System besonders gut in das Steuerung-Konzept automatisierter Fahrzeuge integrieren. According to a further embodiment, the LiDAR system includes an external interface designed to receive control signals via an external signal line. The control device is designed to activate and deactivate the secondary transmission module when a corresponding control signal is received via the external interface. Since the external controllability is advantageously available at the system interface, the driving function or the central control computer of the ego vehicle can influence the increase in range depending on the situation. The LiDAR system can thus be integrated particularly well into the control concept of automated vehicles.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ferner eine LiDAR-Vorrichtung für das oben beschriebene LiDAR-System vorgesehen, die eine stationäre Sendeeinrichtung umfassend ein primäres Sendemodul ausgebildet zum Emittieren eines primären Laserstrahls in Form von primären Lichtpulsen, die jeweils einen aktuellen Detektionsbereich des Beobachtungsbereichs beleuchten, und ein zu dem primären Sendemodul zeitlich selektiv zuschaltbares sekundäres Sendemodul ausgebildet zum Emittieren eines sekundären Laserstrahls in Form von sekundären Lichtpulsen, die den jeweils aktuellen Detektionsbereich zeitgleich mit den primären Lichtpulsen beleuchten, umfasst. Das LiDAR-System umfasst ferner eine optische Strahlkombinationseinrichtung ausgebildet zum Kombinieren des primären Laserstrahls und des sekundären Laserstrahls zu einem kombinierten Laserstrahl, eine Scaneinrichtung ausgebildet zum Erzeugen einer Scanbewegung des kombinierten Laserstrahls, durch die verschiedene Detektionsbereiche des Beobachtungsbereichs nacheinander beleuchtet werden, und eine Empfangseinrichtung mit wenigstens einem Lichtdetektor zum Detektieren der von Objekten aus dem jeweils aktuellen Detektionsbereich zurückreflektierten Lichtpulse. Für die LiDAR-Vorrichtung ergeben sich die im Zusammenhang mit dem LiDAR-System genannten Vorteile. According to a further aspect, a LiDAR device is also provided for the LiDAR system described above, which comprises a stationary transmission device, a primary transmission module designed to emit a primary laser beam in the form of primary light pulses, each of which illuminates a current detection area of the observation area, and a to the primary transmission module time-selectively switchable secondary transmission module designed to emit a secondary laser beam in the form of secondary light pulses, which illuminate the current detection area at the same time as the primary light pulses. The LiDAR system also includes an optical beam combination device designed to combine the primary laser beam and the secondary laser beam to form a combined laser beam, a scanning device designed to generate a scanning movement of the combined laser beam, by which different detection areas of the observation area are illuminated one after the other, and a receiving device with at least a light detector for detecting the light pulses reflected back by objects from the current detection area. The advantages mentioned in connection with the LiDAR system result for the LiDAR device.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist schließlich eine Steuereinrichtung für das oben genannte LiDAR-System vorgesehen, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, das sekundäre Sendemodul während eines Scanvorgangs zeitlich selektiv zu dem primären Sendemodul zuzuschalten, um ausgewählte Bereiche des Beobachtungsbereichs mit einer aus der Addition der primären und sekundären Lichtpulse resultierenden relativ hohen Pulsspitzenleistung zu beleuchten. Die Steuereinrichtung ist ferner ausgebildet, das sekundäre Sendemodul während des Scanvorgangs zeitlich selektiv zu deaktivieren, um nicht ausgewählte Bereiche des Beobachtungsbereichs mit einer lediglich durch die primären Lichtpulse des primären Sendemoduls bereitgestellten relativ niedrigen Pulsspitzenleistung zu beleuchten. Für die Steuereinrichtung ergeben sich die im Zusammenhang mit dem LiDAR-System genannten Vorteile. Finally, according to a further aspect, a control device is provided for the above-mentioned LiDAR system, wherein the control device is designed to switch the secondary transmission module on to the primary transmission module selectively in terms of time during a scanning process in order to provide selected areas of the observation area with one of the addition of the primary and to illuminate secondary light pulses resulting relatively high pulse peak power. The control device is also designed to selectively deactivate the secondary transmission module during the scanning process in order to illuminate non-selected areas of the observation area with a relatively low pulse peak power provided only by the primary light pulses of the primary transmission module. The advantages mentioned in connection with the LiDAR system result for the control device.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen: The invention is described in more detail below with reference to figures. show:
Fig. 1 schematisch die Funktionsweise eines LiDAR-Systems zum Erfassen von Objekten in einem Beobachtungsbereich seiner Umgebung; 1 shows a schematic of the functioning of a LiDAR system for detecting objects in an observation area of its surroundings;
Fig. 2 schematisch den Aufbau eines LiDAR-Systems mit einem statischen Sendemodul und einem rotierenden Umlenkspiegel; Fig. 3 schematisch den Aufbau eines LiDAR-Systems mit zwei statischen Sendemodulen und einem rotierenden Umlenkspiegel; 2 shows schematically the structure of a LiDAR system with a static transmission module and a rotating deflection mirror; 3 schematically shows the structure of a LiDAR system with two static transmission modules and a rotating deflection mirror;
Fig. 4 schematisch ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der Lichtleistung verschiedener Lichtpulse des LiDAR-Systems aus Figur 3; FIG. 4 shows a schematic diagram with the time profile of the light output of different light pulses of the LiDAR system from FIG. 3;
Fig. 5 schematisch ein Fahrzeug, bei dem mithilfe des LiDAR-Systems ein breiter Erfassungsbereich mit einer mittleren Reichweite und ein schmaler zentraler Erfassungsbereich mit langer Reichweite realisiert sind; und 5 shows a schematic of a vehicle in which a wide detection area with a medium range and a narrow central detection area with a long range are realized with the aid of the LiDAR system; and
Fig. 6 schematisch ein Fahrzeug, bei dem mithilfe des LiDAR-Systems ein breiter Erfassungsbereich mit einer mittleren Reichweite und zwei schmale seitliche Erfassungsbereiche mit langer Reichweite realisiert sind. 6 shows a schematic of a vehicle in which a wide detection area with a medium range and two narrow lateral detection areas with a long range are realized with the aid of the LiDAR system.
Das hier beschriebene Konzept sieht ein gepulstes LiDAR-System vor, das vorzugsweise als ein Makroscanner mit einem z.B. mittels einer elektrischen Antriebseinheit um die vertikale Achse rotierten Spiegel, einen eindimensionalen Sende- und Empfangspfad zur Spaltenbeleuchtung und Spaltendetektion mit optionaler Makropixelbildung in horizontaler und vertikaler Richtung sowie einen stationären Laser, Detektor, Elektronik und Optik. Ein wesentlicher Aspekt des neuen LiDAR-Systems bildet ein sekundäres Sendemodul, das unabhängig von dem primären Sendemodul des LiDAR-Systems zugeschaltet werden kann. Das sekundäre Sendemodul ist vorzugsweise identisch zu dem primären Sendemodul des LiDAR-Systems ausgelegt, wobei Wellenlänge, Strahlform, Optik, Pulslänge, Pulsfrequenz, etc. bei beiden Sendemodulen übereinstimmen, so dass bei beiden Sendemodulen die gleiche vertikale Spalte (Laserstrahl mit linienförmigen Strahlprofil) als Emission resultiert. Die Emission des sekundären Sendemoduls wird dabei so in den optischen Pfad des primären Sendemoduls eingefügt, dass die von den beiden Sendemodulen emittierten Spalten bereits im Gerät miteinander zur Addition kommen. Dabei wird insgesamt eine relativ hohe Pulsspitzenleistung und Pulsenergie erzeugt, die optional und steuerbar einen langreichweitigen Betrieb in ausgesuchten, horizontalen Raumwinkeln ermöglicht. Die Figur 1 zeigt schematisch ein LiDAR-System 100 beim Scannen seiner Umgebung 200 mithilfe eines gepulsten Laserstrahls 122. Das LiDAR-System 100 umfasst hierzu eine LiDAR-Vorrichtung 110 sowie Steuereinrichtung 190 zum Steuern der LiDAR-Vorrichtung 110. Die LiDAR-Vorrichtung 110 umfasst eine ortsfeste Sende- und Empfangseinrichtung 111 mit einer Sendeeinrichtung 120, die ein Sendemodul 121 zum Erzeugen des Laserstrahls 122 aufweist, und eine Empfangseinrichtung 130, die eine hier nicht näher dargestellte Anordnung aus wenigstens einem Detektor 131 zum Detektieren des an Objekten 201 reflektierten Laserstrahls 122 in Form einer zurückreflektierten Lichtstrahlung 129. Bei dem hier gezeigten LiDAR-System 100 wird der den Beobachtungsbereich 210 abtastende Laserstrahl 122 in Form einer vertikalen Linie emittiert. Die entsprechende Empfangseinrichtung 130 weißt in einem solchen Fall typischerweise Detektoranordnung 131 mit mehreren in Form eines Detektor-Arrays vertikal übereinander angeordneten Detektoren auf. Ferner umfasst die LiDAR-Vorrichtung 110 eine optische Einrichtung 160 mit wenigstens einer oder mehreren hier nicht näher dargestellten Optiken zum Kollimieren des emittierten Laserstrahls 122 und Formen seines Strahlprofils sowie zum Abbilden der empfangenen Lichtstrahlung 129 auf den wenigstens einen Detektor 131. Darüber hinaus umfasst die LiDAR-Vorrichtung eine Scaneinrichtung 150, die beispielsweise aus einem rotierenden Spiegel und geeigneten motorischen Antriebseinrichtung besteht (hier nicht gezeigt). Mithilfe der Scaneinrichtung 150 wird der Laserstrahl 122 typischerweise in einer periodischen Scanbewegung 153 über einen definierten Beobachtungsbereich 210 der Umgebung 200 geführt, der das aktuelle Sichtfeld des LiDAR-Systems 100 definiert. Die Abtastung des Beobachtungsbereichs 110 erfolgt dabei in kleinen Schritten, wobei die Lichtpulse des gepulsten Laserstrahls 122 nacheinander jeweils einen kleinen Detektionsbereich 2111 - 211, beleuchten, welcher jeweils einen kleinen Ausschnitt des Beobachtungsbereichs 210 dargestellt. Das von einem Objekt 201 aus dem jeweiligen Detektionsbereich 211i - 211, zurückreflektierte Licht 129 wird von der Scaneinrichtung 150 entsprechend auf die Empfangseinrichtung 130 gelenkt und von dem wenigstens einem Detektor der Detektoranordnung detektiert. The concept described here envisages a pulsed LiDAR system, which is preferably used as a macro scanner with a mirror rotated about the vertical axis, for example by means of an electric drive unit, a one-dimensional transmission and reception path for column illumination and column detection with optional macro-pixel formation in the horizontal and vertical directions, and a stationary laser, detector, electronics and optics. A key aspect of the new LiDAR system is a secondary transmitter module that can be switched on independently of the primary transmitter module of the LiDAR system. The secondary transmission module is preferably designed identically to the primary transmission module of the LiDAR system, with the wavelength, beam shape, optics, pulse length, pulse frequency, etc. being the same for both transmission modules, so that the same vertical column (laser beam with linear beam profile) as emission results. The emission of the secondary transmission module is inserted into the optical path of the primary transmission module in such a way that the columns emitted by the two transmission modules are already added to one another in the device. Overall, a relatively high pulse peak power and pulse energy is generated, which optionally and controllably enables long-range operation in selected, horizontal solid angles. 1 shows a schematic of a LiDAR system 100 scanning its surroundings 200 using a pulsed laser beam 122. For this purpose, the LiDAR system 100 comprises a LiDAR device 110 and a control device 190 for controlling the LiDAR device 110. The LiDAR device 110 comprises a stationary transmitting and receiving device 111 with a transmitting device 120, which has a transmitting module 121 for generating the laser beam 122, and a receiving device 130, which has an arrangement, not shown here, of at least one detector 131 for detecting the laser beam 122 reflected on objects 201 in Form of a reflected light radiation 129. In the LiDAR system 100 shown here, the laser beam 122 scanning the observation area 210 is emitted in the form of a vertical line. In such a case, the corresponding receiving device 130 typically has a detector arrangement 131 with a plurality of detectors arranged vertically one above the other in the form of a detector array. Furthermore, the LiDAR device 110 includes an optical device 160 with at least one or more optics, not shown here, for collimating the emitted laser beam 122 and shaping its beam profile and for imaging the received light radiation 129 on the at least one detector 131. In addition, the LiDAR Device has a scanning device 150, which consists, for example, of a rotating mirror and a suitable motorized drive device (not shown here). With the aid of the scanning device 150 , the laser beam 122 is typically guided in a periodic scanning movement 153 over a defined observation area 210 of the surroundings 200 which defines the current field of view of the LiDAR system 100 . The observation area 110 is scanned in small steps, with the light pulses of the pulsed laser beam 122 successively illuminating a small detection area 2111 - 211 , which in each case represents a small section of the observation area 210 . The light 129 reflected back by an object 201 from the respective detection region 211i-211 is directed by the scanning device 150 to the receiving device 130 and detected by the at least one detector of the detector arrangement.
Wie aus der Figur 1 ersichtlich ist, kann die Steuereinrichtung 190 mehrere Komponenten umfassen, wie zum Beispiel eine Aktivierungseinrichtung 191 zum Aktivieren der Sendeeinrichtung 120 bzw. des Sendemoduls 121. Ferner kann die Steuereinrichtung 190 weitere Komponenten enthalten, wie zum Beispiel eine Auswerteeinrichtung 192 zum Auswerten der Messsignale des wenigstens einen Detektors 131. Ein solcher Auswerteeinrichtung 192 kann anhand der dabei ermittelten Laufzeiten der aus verschiedenen Detektionsbereichen 2111 — 211 , empfangenen Laserpulse ein Modell der Umgebung 200 in Form einer Punktwolke berechnen. Die Steuereinrichtung 190 kann ferner eine externe Schnittstelle 193 zur Kommunikation mit übergeordneten Steuereinrichtungen aufweisen. As can be seen from FIG. 1, the control device 190 can comprise several components, such as an activation device 191 for Activation of the transmission device 120 or the transmission module 121. The control device 190 can also contain further components, such as an evaluation device 192 for evaluating the measurement signals of the at least one detector 131. Such an evaluation device 192 can be activated based on the propagation times of the different detection areas 2111 - 211, receive laser pulses to calculate a model of the environment 200 in the form of a point cloud. The control device 190 can also have an external interface 193 for communication with higher-level control devices.
Wie aus der Figur 1 ferner ersichtlich ist, sind die im vorliegenden Beispiel gezeigten Komponenten der LiDAR-Vorrichtung 110 in einem gemeinsamen Gehäuse 101 untergebracht, das über ein für die jeweils verwendete Lichtstrahlung transparentes Fenster 102 verfügt. Je nach Anwendung kann die Steuereinrichtung 190 oder Teile der Steuereinrichtung 190 auch innerhalb des Gehäuses 101 untergebracht sein. As can also be seen from FIG. 1, the components of the LiDAR device 110 shown in the present example are accommodated in a common housing 101, which has a window 102 that is transparent to the light radiation used in each case. Depending on the application, the control device 190 or parts of the control device 190 can also be accommodated inside the housing 101 .
Die Figur 2 zeigt schematisch eine detaillierte Ansicht der LiDAR-Vorrichtung 110 des LiDAR-Systems 100 aus Figur 1 in einer bekannten Ausführung. Dabei ist ersichtlich, dass die Sendeeinrichtung 120 nur ein einzelnes Sendemodul 121 umfasst. Der von dem Sendemodul 121 emittierte Laserstrahl 122 wird dabei mittels eines ersten Umlenkspiegels 142 auf einen um eine Achse 152 rotierenden Spiegel 151 der Scaneinrichtung 150 in Richtung des Fensters 102 umgelenkt, durch welches er das Gehäuse 101 verlässt. Auch die zurückreflektierte Lichtstrahlung 129, die über das Fenster 102 in das Gehäuse 101 der LiDAR-Vorrichtung 110 gelangt, wird von dem rotierenden Spiegel 151 der Scaneinrichtung 150 umgelenkt und gelangt über einen zweiten Umlenkspiegel 143 auf den wenigstens einen Detektor 131 der Empfangseinrichtung 130. Wie bereits im Zusammenhang mit Figur 1 erläutert, umfasst die LiDAR-Vorrichtung ferner eine optische Einrichtung 160, welche im vorliegenden Beispiel zwei im Sendepfad angeordnete optionale Optiken 161,FIG. 2 schematically shows a detailed view of the LiDAR device 110 of the LiDAR system 100 from FIG. 1 in a known embodiment. It can be seen here that the transmission device 120 comprises only a single transmission module 121 . The laser beam 122 emitted by the transmission module 121 is deflected by means of a first deflection mirror 142 onto a mirror 151 of the scanning device 150 rotating about an axis 152 in the direction of the window 102 through which it leaves the housing 101 . The reflected light radiation 129, which enters the housing 101 of the LiDAR device 110 via the window 102, is deflected by the rotating mirror 151 of the scanning device 150 and reaches the at least one detector 131 of the receiving device 130 via a second deflection mirror 143. How already explained in connection with FIG.
162 zum Kollimieren und Formen des ausgesendeten Laserstrahls 122 sowie zwei im Empfangspfad angeordnete optionale Optiken 163, 164 zum Bündeln und Projizieren der zurückreflektierten Lichtstrahlung 129 auf den wenigstens einen Detektor 131 der Detektoreinrichtung 130. Die Figur 3 zeigt schematisch eine detaillierte Ansicht der LiDAR-Vorrichtung 110 des LiDAR-Systems 100 aus Figur 1 in einer erfindungsgemäßen Ausführung. Wie hierbei ersichtlich ist, umfasst die modifizierte Sendeeinrichtung 120 nunmehr zwei Sendemodule 121 , 124, die als voneinander unabhängig steuerbare Emitter dienen. Die beiden Sendemodule 121, 124 sind vorzugsweise technisch identisch ausgebildet, so dass sie jeweils identische Laserstrahlungen 121, 125 emittieren. Den beiden Sendemodulen 121, 124 sind zur Kollimation optionale Optiken 1611 , 1612 zugeordnet, die vorzugsweise ebenfalls identisch ausgelegt sind. Hierdurch emittieren beide Sendemodule 121, 124 elektrische Laserstrahlen 122, 125 die mittels einer geeigneten Strahlkombinations einrichtung 140 bereits optimal in dem Gerät zur Addition kommen. Als eine mögliche Strahlkombinationseinrichtung 140 kommt beispielsweise ein mit einer Durchlassöffnung 141 ausgestatteter Umlenkspiegel 140 zum Einsatz, welcher einen ersten der beiden Laserstrahlen 122, 125 umlenkt, während er den jeweils anderen Laserstrahl durch die Durchlassöffnung 124 passieren lässt. Im vorliegenden Beispiel wird der primäre Lichtstrahl 122 des primären Sendemoduls 121 am Umkehrspiegel 140 in Richtung der Scaneinrichtung 150 umgelenkt, während der sekundäre Lichtstrahl 125 des im vorliegenden Beispiel sich hinter dem Umlenkspiegel 140 befindlichen sekundären Sendemoduls 124 durch die Durchlassöffnung 141 hindurchtritt. Wie aus der Figur 3 ersichtlich ist, trifft der primäre Lichtstrahl 122 auf einen Randbereich 142 möglichst nahe der Durchlassöffnung 141 auf den Umlenkspiegel 140 auf. Hierdurch werden die beiden Laserstrahlen 122, 125 möglichst nahe zueinander gebracht, sodass es bereits im Gerät zu einer Überlagerung ihrer optischen Pfade und damit zur Addition der beiden Laserstrahlen 122, 125 kommt. Hierdurch bedingt verlassen die beiden Laserstrahlen 122, 125 die LiDAR-Vorrichtung 100 in Form eines kombinierten Laserstrahls 127. Beim zugeschalteten sekundären Sendemodul162 for collimating and shaping the emitted laser beam 122, and two optional optics 163, 164 arranged in the reception path for bundling and projecting the reflected light radiation 129 onto the at least one detector 131 of the detector device 130. FIG. 3 schematically shows a detailed view of the LiDAR device 110 of the LiDAR system 100 from FIG. 1 in an embodiment according to the invention. As can be seen here, the modified transmission device 120 now includes two transmission modules 121, 124, which serve as emitters that can be controlled independently of one another. The two transmission modules 121, 124 are preferably technically identical in design, so that they each emit identical laser radiation 121, 125. The two transmission modules 121, 124 are assigned optional optics 1611, 1612 for collimation, which are preferably also designed identically. As a result, both transmission modules 121, 124 emit electric laser beams 122, 125 which, by means of a suitable beam combination device 140, are already optimally added in the device. A deflection mirror 140 equipped with a passage opening 141 is used as a possible beam combination device 140 , which deflects a first of the two laser beams 122 , 125 while allowing the respective other laser beam to pass through the passage opening 124 . In the present example, the primary light beam 122 of the primary transmission module 121 is deflected at the reversing mirror 140 in the direction of the scanning device 150, while the secondary light beam 125 of the secondary transmission module 124, which is located behind the deflection mirror 140 in the present example, passes through the passage opening 141. As can be seen from FIG. 3, the primary light beam 122 strikes an edge region 142 as close as possible to the passage opening 141 on the deflection mirror 140 . As a result, the two laser beams 122, 125 are brought as close as possible to one another, so that their optical paths are already superimposed in the device and the two laser beams 122, 125 are therefore added. As a result of this, the two laser beams 122, 125 leave the LiDAR device 100 in the form of a combined laser beam 127. When the secondary transmission module is switched on
124 weist der kombinierte Laserstrahl 127 Lichtpulse 128 mit einer deutlich erhöhten Pulsspitzenleistung auf. Es ist sinnvoll, den Umlenkspiegel 140 als einen großen Spiegel mit einem seitlich leicht versetzten Spalt (vertikale Durchlassöffnung) auszulegen. Für eine gute Addition der Laserstrahlen 122,124, the combined laser beam 127 has light pulses 128 with a significantly increased pulse peak power. It makes sense to design the deflection mirror 140 as a large mirror with a slightly offset lateral gap (vertical passage opening). For a good addition of the laser beams 122,
125 ist es sinnvoll, dass die beiden Sendemodule 121, 125 technisch identisch ausgelegt sind und identische Betriebsbedingungen, wie z.B. Temperatur, erfahren. Ferner ist es notwendig, dass die beiden Laserstrahlen 122, 125 räumlich und zeitlich optimal aufeinander fallen. 125, it makes sense that the two transmission modules 121, 125 are technically identical and have identical operating conditions, such as temperature, Experienced. Furthermore, it is necessary for the two laser beams 122, 125 to strike one another optimally in terms of space and time.
Wie aus der Figur 3 ferner ersichtlich ist, kann der Empfangspfad der LiDAR- Vorrichtung 110 im Wesentlichen unverändert bleiben. Im vorliegenden Beispiel wird die zurückreflektierte Lichtstrahlung 129 vom rotierenden Spiegel 151 ebenfalls auf den Umlenkspiegel 140 umgelenkt, welcher die zurückreflektierte Lichtstrahlung 129 wiederum in Richtung des wenigstens einen Detektors 131 umlenkt. Bei dieser Ausführungsform steht nahezu die vollständige Spielfläche des Umlenkspiegels 140 für die Umlenkung der zurückreflektierten Lichtstrahlung 129 zur Verfügung, sodass relativ viel Licht den Detektor 131 erreichen kann. Die relativ schmale Durchlassöffnung 141 stellt dabei keinen wesentlichen Verlust an Spiegelfläche dar. Grundsätzlich lässt sich die zurückreflektierte Lichtstrahlung auch über einen separaten Umlenkspiegel oder eine andere Lichtführung in den wenigstens einen Detektor 131 lenken. As can also be seen from FIG. 3, the reception path of the LiDAR device 110 can essentially remain unchanged. In the present example, the light radiation 129 that is reflected back is also deflected by the rotating mirror 151 onto the deflection mirror 140, which in turn deflects the light radiation 129 that is reflected back in the direction of the at least one detector 131. In this embodiment, almost the entire playing surface of the deflection mirror 140 is available for deflecting the light radiation 129 that is reflected back, so that a relatively large amount of light can reach the detector 131 . The relatively narrow passage opening 141 does not represent any significant loss of mirror surface. In principle, the reflected light radiation can also be directed into the at least one detector 131 via a separate deflection mirror or another light guide.
Der Laser der beiden als Emitter dienenden Sendemodule 121 , 124 sowie die zugehörige die Optik, die Elektronik (hier nicht gezeigt) sind ortsfest am Stator angeordnet. Auch der Detektor 121 der Empfangseinrichtung 120 sowie die zugehörige Optik 163, 164 und Elektronik (hier nicht gezeigt) sind ortsfest am Stator angeordnet. Hierdurch ergeben sich gegenüber einem rotierenden LiDAR- System bereits bekannten Vorteile für die Wärmeabfuhr sowie die Energie- und Datenübertragung. The laser of the two transmission modules 121, 124 serving as emitters and the associated optics and electronics (not shown here) are arranged in a stationary manner on the stator. The detector 121 of the receiving device 120 and the associated optics 163, 164 and electronics (not shown here) are arranged in a stationary manner on the stator. This results in well-known advantages for heat dissipation as well as energy and data transmission compared to a rotating LiDAR system.
Bei einer geschickten Platzierung des zusätzlichen Sendemoduls 124 wird der Bauraum nicht oder zumindest nicht wesentlich vergrößert. Das kann beispielsweise durch Platzieren des sekundären Sendemoduls 124 in die Ecke hinter dem Umlenkspiegel 140 realisiert werden. If the additional transmission module 124 is cleverly placed, the installation space is not increased, or at least not significantly so. This can be realized, for example, by placing the secondary transmission module 124 in the corner behind the deflection mirror 140 .
Zur Verdeutlichung der Addition der von den beiden Sendemodulen 121, 124 emittierten Laserstrahlen 122, 125 ist in der Figur 4 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf von zwei sich überlagernden Lichtpulsen 123, 126 der beiden Laserstrahlen 122, 125 dargestellt. Als Einheit der Ordinatenachse dient im vorliegenden Beispiel die Anzahl n der zu einem Zeitpunkt t im Detektor 131 ankommenden Photonen. Dabei wird ersichtlich, dass sich die beiden Lichtpulse 123, 126 zu einem deutlich größeren kombinierten Lichtpuls 128 addieren. Wie hierbei ersichtlich ist, weist der kombinierte Lichtpuls 128 wegen einer höheren Pulsspitzenleistung in seinen Randbereichen (t<ti und t>ts) durch die Pulsaddition ein gegenüber den Einzelpulsen 123, 126 deutlich verbessertes Signal-Rausch Verhältnis auf. Wie aus der Figur 4 ersichtlich ist, trifft der primäre Lichtpuls 123 allerdings zu dem Zeitpunkt t2 ein, während der sekundäre Lichtpuls 126 zu einem etwas späteren Zeitpunkt U eintrifft. Dieser kleine zeitliche Versatz Ät führt zu einer Verbreiterung des kombinierten Lichtpulses 128 bei gleichzeitiger Reduktion seiner maximalen Amplitude. Diese unerwünschten Effekte führen zur Reduktion der Genauigkeit des LiDAR- Systems 100. Daher ist es notwendig, dass die beiden Lichtpulse 123, 126 möglichst synchron im jeweiligen Zielgebiet eintreffen. Mögliche Ungenauigkeiten der zeitlichen Synchronisierung der primären und sekundären Lichtpulse 123,To clarify the addition of the laser beams 122, 125 emitted by the two transmission modules 121, 124, FIG. In the present example, the number n of photons arriving in the detector 131 at a point in time t serves as the unit of the ordinate axis. It can be seen that the two light pulses 123, 126 add up to a significantly larger combined light pulse 128. As can be seen here, the combined light pulse 128 has a significantly improved signal-to-noise ratio compared to the individual pulses 123, 126 due to a higher pulse peak power in its edge regions (t<ti and t>ts) due to the pulse addition. However, as can be seen from FIG. 4, the primary light pulse 123 arrives at the point in time t2, while the secondary light pulse 126 arrives at a somewhat later point in time U. This small time offset Δt leads to a broadening of the combined light pulse 128 with a simultaneous reduction in its maximum amplitude. These undesirable effects lead to a reduction in the accuracy of the LiDAR system 100. It is therefore necessary for the two light pulses 123, 126 to arrive in the respective target area as synchronously as possible. Possible inaccuracies in the temporal synchronization of the primary and secondary light pulses 123,
126 können dabei durch Offsets kompensiert werden, die durch eine zeitliche Kalibrierung der Sendezeitpunkte der jeweiligen Lichtpulse 123, 126 erzielt werden. Darüber hinaus können Jitter-Effekte, die ebenfalls zu einer Reduktion der Messgenauigkeit führen, durch tendenziell leicht längere primär- und Sekundärpulse und somit flacheren Spitzen behandelt werden. 126 can be compensated by offsets that are achieved by calibrating the transmission times of the respective light pulses 123, 126 over time. In addition, jitter effects, which also lead to a reduction in measurement accuracy, can be treated by primary and secondary pulses that tend to be slightly longer and therefore flatter peaks.
Grundsätzlich lässt sich die Reichweite des LiDAR-Systems 100 durch zeitweises Zuschalten des sekundären Sendemoduls 124 zur Verbesserung der Sicht in beliebigen Raumwinkeln des Beobachtungsbereichs 210 erhöhen. In den Figuren 5 und 6 sind hierzu beispielhaft zwei mögliche Szenarien für den Einsatz des hier vorgestellten Konzepts zur Erhöhung der Reichweite in ausgewählten Raumwinkeln dargestellt. Dabei zeigt Figur 5 eine erste Fahrsituation eines mit dem erfindungsgemäßen LiDAR-System 100 ausgestatteten Ego-Fahrzeug 300. Das LiDAR-System 100 tastet dabei einen vor dem Ego-Fahrzeug 300 liegenden Beobachtungsbereich 210 der Umgebung 200 ab. Wie hierbei gezeigt ist, wird der aktuelle Beobachtungsbereich 210 dabei in einem relativ schmalen zentralen Bereich 213 mit einer durch das Zuschalten des sekundären Sendemoduls 124 erzielten hohen Pulsspitzenleistung abgetastet. Durch die dabei in dem betreffenden zentralen Bereich 213 erzielte lange Reichweite kann die eigene Fahrbahn vorausschauend auf mögliche Hindernisse abgetastet werden. Hingegen werden die beiden links und rechts vom zentralen Bereich 213 angeordneten Bereiche 212, 114 mit einer durch das Abschalten des sekundären Sendemoduls 124 reduzierten Pulsspitzenleistung abgetastet. Hierdurch ergibt sich in diesen Bereichen 212, 214 eine üblicherweise zur Abtastung des Beobachtungsbereichs 210 verwendete mittlere Reichweite des LiDAR-Systems 100. Da die mithilfe des zugeschalteten sekundären Sendemoduls 124 erzielten langen Reichweiten für die automatisierte Fahrfunktionen in der Regel nur bei höheren Geschwindigkeiten benötigt werden und bei höheren Geschwindigkeiten erwartungsgemäß sich keine Menschen in unmittelbarer Umgebung 200 des LiDAR-Systems 100 befinden, kann ein intelligenter Betriebsmodus vorgesehen werden, bei dem das sekundäre Sendemodul 124 nur bei höheren Geschwindigkeiten bzw. erst ab einer bestimmten Geschwindigkeit, zugeschaltet wird. Hierdurch lässt sich die Augensicherheit trotz der relativ hohen Pulsspitzenleistung gewährleistet werden. In principle, the range of the LiDAR system 100 can be increased by temporarily switching on the secondary transmission module 124 to improve the view in any spatial angle of the observation area 210 . For this purpose, two possible scenarios for the use of the concept presented here for increasing the range in selected spatial angles are shown as examples in FIGS. FIG. 5 shows a first driving situation of an ego vehicle 300 equipped with the LiDAR system 100 according to the invention. As shown here, the current observation area 210 is scanned in a relatively narrow central area 213 with a high pulse peak power achieved by switching on the secondary transmission module 124 . Due to the long range achieved in the relevant central area 213, one's own lane can be scanned for possible obstacles in advance. In contrast, the two left and right of the central area 213 arranged areas 212, 114 with a by switching off the secondary Transmitting module 124 sampled reduced pulse peak power. In these areas 212, 214, this results in a medium range of the LiDAR system 100 that is usually used to scan the observation area 210. Since the long ranges achieved with the help of the switched-on secondary transmission module 124 for the automated driving functions are generally only required at higher speeds and If, as expected, there are no people in the immediate vicinity 200 of the LiDAR system 100 at higher speeds, an intelligent operating mode can be provided in which the secondary transmission module 124 is only switched on at higher speeds or only above a certain speed. In this way, eye safety can be guaranteed despite the relatively high pulse peak power.
Die in der Figur 6 dargestellte Fahrsituation entspricht hingegen dem Herannahen des Ego-Fahrzeugs 300 an eine Straßenkreuzung. In diesem Fall kann das Ego-Fahrzeug 300 die querende Straße mithilfe des LiDAR-Systems 100 nach schnell herannahenden Fahrzeugen abscannen. Hierfür wird das sekundäre Sendemodul 124 in den sich jeweils am Rand des Beobachtungsbereichs 210 befindlichen seitlichen Bereichen 216, 218 zugeschaltet, um jeweils einen seitlichen Fernblick auf die querende Straße und die darauf befindlichen Objekte zu ermöglichen. Hingegen werden die Bereiche 215, 217, 219 lediglich mit mittlerer Reichweite gescannt, was durch Abschalten des sekundären Sendemoduls 124 während des Scanvorgangs der betreffenden Bereiche 215, 217, 219 erfolgt. The driving situation shown in FIG. 6, on the other hand, corresponds to ego vehicle 300 approaching a street crossing. In this case, the ego vehicle 300 can use the LiDAR system 100 to scan the crossing road for rapidly approaching vehicles. For this purpose, the secondary transmission module 124 is switched on in the lateral areas 216, 218 located at the edge of the observation area 210 in order to enable a lateral distant view of the crossing road and the objects located thereon. In contrast, the areas 215, 217, 219 are only scanned with a medium range, which is done by switching off the secondary transmission module 124 during the scanning process of the areas 215, 217, 219 in question.
Die Sendemodule können eine oder mehrere Laserlichtquellen umfassen, die z.B. als Kantenemitter, VCSEL, VeCSEL ausgebildet sind. Ein Solches Sendemodul kann den Beobachtungsbereich z.B. mittels einzelner Spots, linear oder sequentiell angeordneter, diskreter Einzelquellenspots, Linien- und Spaltenbeleuchtung sowie Flächenbeleuchtung (Flash) beleuchten. Die Scaneinrichtung kann eine oder mehrere Lichtablenkeinheiten umfassen, insbesondere ein um seine senkrechte Achse rotierender, makroskopischen Spiegel mit mindestens einer reflektierenden Fläche. Dabei sind auch eine Vorder- und Rückseitenreflektion sowie Polygonspiegel mit mehreren reflektierenden Flächen möglich. Das LiDAR-System kann verschiedenartige, unabhängige Merkmale der optischen Pfade mit z.B. sphärischen und zylinderförmigen Linsen, parallelem und nicht parallelem Strahlenverlauf getrennt und örtlich zusammenfallenden Strahlenverläufen sowie stationären Umlenkspiegeln und optischen Filtern für den Sende- und Empfangspfad aufweisen. Für die Detektion kommen beispielsweise sowohl ein Einzeldetektor, linear und sequenziell angeordnete, diskrete Einzeldetektoren, ein 1D-Array oder ein 2D-Array mit oder ohne Superpixelbildung (Makropixel), mit gängigen Auswerteschaltungen und -methoden (z.B. Histogrammbildung bei SPADs) zum Einsatz. Dabei können verschiedene Detektortechnologien, wie z.B. Imager, PIN, PSD, APD, SPAD oder SiPM verwendet werden. Ferner kann grundsätzlich auch eine sukzessive Aktivierung der Detektorpixel erfolgen, um das Signal-Rausch- Verhältnis des Sensors zu erhöhen. The transmission modules can include one or more laser light sources, which are designed, for example, as edge emitters, VCSELs, VeCSELs. Such a transmission module can illuminate the observation area, for example, by means of individual spots, linearly or sequentially arranged, discrete individual source spots, line and column lighting, and area lighting (flash). The scanning device can comprise one or more light deflection units, in particular a macroscopic mirror which rotates about its vertical axis and has at least one reflecting surface. A front and rear reflection as well as polygon mirrors with several reflecting surfaces are also possible. The LiDAR system can be of various have independent features of the optical paths with, for example, spherical and cylindrical lenses, separate parallel and non-parallel beam paths and locally coincident beam paths, as well as stationary deflection mirrors and optical filters for the transmission and reception path. For example, an individual detector, linearly and sequentially arranged, discrete individual detectors, a 1D array or a 2D array with or without superpixel formation (macropixels), with common evaluation circuits and methods (e.g. histogram formation with SPADs) are used for detection. Various detector technologies such as imager, PIN, PSD, APD, SPAD or SiPM can be used. Furthermore, in principle, the detector pixels can also be activated successively in order to increase the signal-to-noise ratio of the sensor.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus auch andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples. Rather, other variations can also be derived from this by a person skilled in the art without departing from the scope of protection of the invention.

Claims

Ansprüche Expectations
1. LiDAR-System (100) zum Detektieren von Objekten (201) innerhalb eines mehrere Detektionsbereiche (211 - 211,) umfassenden Beobachtungsbereichs (210) umfassend: 1. LiDAR system (100) for detecting objects (201) within an observation area (210) comprising a plurality of detection areas (211 - 211) comprising:
- eine stationäre Sendeeinrichtung (120) umfassend ein primäres Sendemodul (121) ausgebildet zum Emittieren eines primären Laserstrahls (122) in Form von primären Lichtpulsen (123), die jeweils einen aktuellen Detektionsbereich (211) des Beobachtungsbereichs (200) beleuchten, und ein zu dem primären Sendemodul (121) zeitlich selektiv zuschaltbares sekundäres Sendemodul (124) ausgebildet zum Emittieren eines sekundären Laserstrahls (125) in Form von sekundären Lichtpulsen (126), die den jeweils aktuellen Detektionsbereich (211) zeitgleich mit den primären Lichtpulsen (122) beleuchten, - a stationary transmission device (120) comprising a primary transmission module (121) designed to emit a primary laser beam (122) in the form of primary light pulses (123), each of which illuminates a current detection area (211) of the observation area (200), and a to the primary transmission module (121) has a secondary transmission module (124) that can be switched on selectively in terms of time and is designed to emit a secondary laser beam (125) in the form of secondary light pulses (126), which illuminate the current detection area (211) at the same time as the primary light pulses (122),
- eine optische Strahlkombinationseinrichtung (140) ausgebildet zum Kombinieren des primären Laserstrahls (122) und des sekundären Laserstrahls (125) zu einem kombinierten Laserstrahl (127), - an optical beam combining device (140) designed to combine the primary laser beam (122) and the secondary laser beam (125) to form a combined laser beam (127),
- eine Scaneinrichtung (150) ausgebildet zum Erzeugen einer Scanbewegung (153) des kombinierten Laserstrahls (127), durch die verschiedene Detektionsbereiche (211 - 211,) des Beobachtungsbereichs (210) nacheinander beleuchtet werden, - a scanning device (150) designed to generate a scanning movement (153) of the combined laser beam (127), by means of which different detection areas (211 - 211) of the observation area (210) are illuminated one after the other,
- eine Empfangseinrichtung (130) mit wenigstens einem Lichtdetektor (131) zum Detektieren der von Objekten (201) aus dem jeweils aktuellen Detektionsbereich (211) zurückreflektierten Lichtpulse (123, 126), und- a receiving device (130) with at least one light detector (131) for detecting the light pulses (123, 126) reflected back from objects (201) from the current detection area (211), and
- eine Steuereinrichtung (190) zum Steuern der Sendeeinrichtung (120), wobei die Steuereinrichtung (190) ausgebildet ist, die Emission des sekundären Laserstrahls (125) durch das sekundäre Sendemodul (124) unabhängig von der Emission des primären Laserstrahls (122) durch das primäre Sendemodul (121) zu steuern. - a control device (190) for controlling the transmission device (120), wherein the control device (190) is designed to control the emission of the secondary laser beam (125) by the secondary transmission module (124) independently of the emission of the primary laser beam (122) by the to control the primary transmission module (121).
2. LiDAR-System (100) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (190) ausgebildet ist, das sekundäre Sendemodul (124) während eines Scanvorgangs zeitlich selektiv zu dem primären Sendemodul (121) zuzuschalten, um ausgewählte Bereiche (213, 216, 218) des Beobachtungsbereichs (210) mit einer aus der Addition der primären und sekundären Lichtpulse (123, 126) resultierenden relativ hohen Pulsspitzenleistung zu beleuchten, und wobei die Steuereinrichtung (190) ferner ausgebildet ist, das sekundäre Sendemodul (124) während des Scanvorgangs zeitlich selektiv zu deaktivieren, um nicht ausgewählte Bereiche (212, 214, 215, 217, 219) des Beobachtungsbereichs (210) mit einer lediglich durch die primären Lichtpulse2. LiDAR system (100) according to claim 1, wherein the control device (190) is designed to selectively connect the secondary transmission module (124) to the primary transmission module (121) during a scanning process in order to scan selected areas (213, 216, 218) of the observation area (210) with one from the addition of the to illuminate the relatively high pulse peak power resulting from primary and secondary light pulses (123, 126), and wherein the control device (190) is also designed to deactivate the secondary transmission module (124) selectively in terms of time during the scanning process in order to avoid selected areas (212, 214, 215, 217, 219) of the observation area (210) with an only through the primary light pulses
(123) des primären Sendemoduls (121) bereitgestellten relativ niedrigen Pulsspitzenleistung zu beleuchten. (123) of the primary transmission module (121) to illuminate the relatively low pulse peak power provided.
3. LiDAR-System (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung (190) ausgebildet ist, das zweite Sendemodul3. LiDAR system (100) according to claim 1 or 2, wherein the control device (190) is formed, the second transmission module
(124) zuzuschalten, um wenigstens einen der folgenden Bereiche mit einer langen Reichweite zu beleuchten: (124) to illuminate at least one of the following areas with a long range:
- einen schmalen zentralen Bereich (213) vor einem Ego-Fahrzeug (300) zum Überwachen der eigenen Fahrspur, und - a narrow central area (213) in front of an ego vehicle (300) for monitoring one's own lane, and
- wenigstens einen Bereich (216, 218) seitlich eines Ego-Fahrzeugs (300) zum Detektieren von auf querenden oder einmündenden Straßen herannahenden Fahrzeugen. - At least one area (216, 218) on the side of an ego vehicle (300) for detecting vehicles approaching on crossing or junction roads.
4. LiDAR-System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Strahlkombinationseinrichtung (140) in Form eines Umlenkspiegels mit einer Durchlassöffnung (141) ausgebildet ist, wobei der Umlenkspiegel (140), der primäre Laserstrahl (122) und der sekundäre Laserstrahl (125) so zueinander ausgerichtet sind, dass ein erster der beiden Laserstrahlen (122, 125) durch die Durchlassöffnung (141) hindurchtritt, während der jeweils andere der beiden Laserstrahlen (122, 125) in einem Randbereich (142) der Durchgangsöffnung (141) von dem Umlenkspiegel (140) so umgelenkt wird, dass sich die beiden Laserstrahlen (122, 125) zu dem kombinierten Laserstrahl (127) überlagern. 4. LiDAR system (100) according to one of the preceding claims, wherein the optical beam combination device (140) is designed in the form of a deflection mirror with a passage opening (141), the deflection mirror (140), the primary laser beam (122) and the secondary Laser beams (125) are aligned with one another in such a way that a first of the two laser beams (122, 125) passes through the through-opening (141), while the other of the two laser beams (122, 125) in each case is in an edge area (142) of the through-opening (141 ) is deflected by the deflection mirror (140) in such a way that the two laser beams (122, 125) are superimposed to form the combined laser beam (127).
5. LiDAR-System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sendeeinrichtung (120) und/oder wenigstens eine der Sendeeinrichtung (120) optisch nachgeschaltete Optik (1611 , 1612) ausgebildet ist, bei den primären und sekundären Laserstrahlen (122, 125) jeweils ein Strahlprofil in Form einer vertikalen Linie zu erzeugen, und wobei die Durchlassöffnung (141) des Umlenkspiegels (140) in Form eines vertikalen Schlitzes ausgebildet ist. 5. LiDAR system (100) according to any one of the preceding claims, wherein the transmitting device (120) and/or at least one optical system (1611, 1612) optically connected downstream of the transmitting device (120) is designed to generate a beam profile in the form of a vertical line for each of the primary and secondary laser beams (122, 125), and wherein the passage opening (141) of the deflection mirror (140) is designed in the form of a vertical slit.
6. LiDAR-System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Sendemodul (124) im Wesentlichen identisch zu dem ersten Sendemodul (121) ausgebildet ist. 6. LiDAR system (100) according to one of the preceding claims, wherein the second transmission module (124) is essentially identical to the first transmission module (121).
7. LiDAR-System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (190) ausgebildet ist, als sekundäres Sendemodul (124) dasjenige der beiden Sendemodule (121, 124) zu verwenden, welches wenigstens eines der folgenden Kriterien erfüllt: 7. LiDAR system (100) according to one of the preceding claims, wherein the control device (190) is designed to use that of the two transmission modules (121, 124) as the secondary transmission module (124) which meets at least one of the following criteria:
- das entsprechende Sendemodul (121, 124) weist aufgrund seiner Bauart, seinem Einbauort und/oder seiner schlechteren thermischen Anbindung an eine Wärmesenke einen größeren Kühlbedarf auf, oder - the corresponding transmission module (121, 124) has a greater cooling requirement due to its design, its installation location and/or its poorer thermal connection to a heat sink, or
- das entsprechende Sendemodul (121, 124) weist situationsbedingt eine aktuell höhere Temperatur auf. - The corresponding transmission module (121, 124) has a currently higher temperature depending on the situation.
8. LiDAR-System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (190) ausgebildet ist, das zweite Sendemodul (124) erst bei einer Überschreitung einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit eines mit dem LiDAR-System (100) ausgestatteten Ego-Fahrzeugs (300) zuzuschalten. 8. LiDAR system (100) according to one of the preceding claims, wherein the control device (190) is designed to transmit the second transmission module (124) only when a predetermined driving speed of an ego vehicle equipped with the LiDAR system (100) is exceeded ( 300) to switch on.
9. LiDAR-System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine externe Schnittstelle (193) ausgebildet zum Empfangen von Steuersignalen über eine externe Signalleitung, wobei die Steuereinrichtung (190) ausgebildet ist, das sekundäre Sendemodul (124) zu aktivieren und zu deaktivieren, wenn über die externe Schnittstelle (193) ein entsprechendes Steuersignal empfangen wird. 9. LiDAR system (100) according to any one of the preceding claims, comprising an external interface (193) designed to receive control signals via an external signal line, wherein the control device (190) is designed to activate and close the secondary transmission module (124). deactivate if a corresponding control signal is received via the external interface (193).
10. LiDAR-Vorrichtung (110) für ein LiDAR-System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend: 10. LiDAR device (110) for a LiDAR system (100) according to one of Claims 1 to 9, comprising:
- eine stationäre Sendeeinrichtung (120) umfassend ein primäres Sendemodul (121) ausgebildet zum Emittieren eines primären Laserstrahls (122) in Form von primären Lichtpulsen (123), die jeweils einen aktuellen Detektionsbereich (211) des Beobachtungsbereichs (200) beleuchten, und ein zu dem primären Sendemodul (121) zeitlich selektiv zuschaltbares sekundäres Sendemodul (124) ausgebildet zum Emittieren eines sekundären Laserstrahls (125) in Form von sekundären Lichtpulsen (126), die den jeweils aktuellen Detektionsbereich (211) zeitgleich mit den primären Lichtpulsen- a stationary transmission device (120) comprising a primary transmission module (121) designed to emit a primary laser beam (122) in the form of primary light pulses (123), each of which illuminates a current detection area (211) of the observation area (200), and a to The primary transmission module (121) has a secondary transmission module (124) that can be switched on selectively in terms of time and is designed to emit a secondary laser beam (125) in the form of secondary light pulses (126) that transmit the current detection area (211) at the same time as the primary light pulses
(122) beleuchten, (122) illuminate,
- eine optische Strahlkombinationseinrichtung (140) ausgebildet zum Kombinieren des primären Laserstrahls (122) und des sekundären Laserstrahls (125) zu einem kombinierten Laserstrahl (127), - an optical beam combining device (140) designed to combine the primary laser beam (122) and the secondary laser beam (125) to form a combined laser beam (127),
- eine Scaneinrichtung (150) ausgebildet zum Erzeugen einer Scanbewegung (153) des kombinierten Laserstrahls (127), durch die verschiedene Detektionsbereiche (2111-211 ) des Beobachtungsbereichs (210) nacheinander beleuchtet werden, und - A scanning device (150) designed to generate a scanning movement (153) of the combined laser beam (127) by which different detection areas (211 1 -211) of the observation area (210) are successively illuminated, and
- eine Empfangseinrichtung (130) mit wenigstens einem Lichtdetektor (131) zum Detektieren der von Objekten (201) aus dem jeweils aktuellen Detektionsbereich (211) zurückreflektierten Lichtpulse (123, 126). - A receiving device (130) with at least one light detector (131) for detecting the light pulses (123, 126) reflected back from objects (201) from the current detection area (211).
11. Steuereinrichtung (190) für ein LiDAR-System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuereinrichtung (190) ausgebildet ist, das sekundäre Sendemodul (124) während eines Scanvorgangs zeitlich selektiv zu dem primären Sendemodul (121) zuzuschalten, um ausgewählte Bereiche (213, 216, 218) des Beobachtungsbereichs (210) mit einer aus der Addition der primären und sekundären Lichtpulse (123, 126) resultierenden relativ hohen Pulsspitzenleistung zu beleuchten, und wobei die Steuereinrichtung (190) ferner ausgebildet ist, das sekundäre Sendemodul (124) während des Scanvorgangs zeitlich selektiv zu deaktivieren, um nicht ausgewählte Bereiche (212, 214, 215, 217, 219) des Beobachtungsbereichs (210) mit einer lediglich durch die primären Lichtpulse11. Control device (190) for a LiDAR system (100) according to one of claims 1 to 9, wherein the control device (190) is designed to selectively switch the secondary transmission module (124) to the primary transmission module (121) during a scanning process in order to illuminate selected areas (213, 216, 218) of the observation area (210) with a relatively high pulse peak power resulting from the addition of the primary and secondary light pulses (123, 126), and wherein the control device (190) is further designed to to deactivate the secondary transmission module (124) selectively in terms of time during the scanning process in order to deactivate non-selected areas (212, 214, 215, 217, 219) of the observation area (210) with a pulse only by the primary light pulses
(123) des primären Sendemoduls (121) bereitgestellten relativ niedrigen Pulsspitzenleistung zu beleuchten. (123) of the primary transmission module (121) to illuminate the relatively low pulse peak power provided.
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