WO2024105094A1 - Lidar-system zur entfernungsermittlung, verfahren zum betreiben eines lidar-systems sowie verwendung des lidar-systems - Google Patents

Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Lidar-System (10) zur Entfernungsermittlung zu einem Objekt (24) in einem Detektionsbereich (DB), wobei der Detektionsbereich (DB) in Segmente (S1, S2) aufgeteilt ist. Das Lidar-System (10) weist auf: eine optische Sendeeinrichtung (12), welche eingerichtet ist, Sendelicht (18) in ein erstes Segment (S1) des Detektionsbereiches (DB) auszusenden, eine optische Empfangseinrichtung (14), welche eingerichtet ist, aus einem zwei- ten Segment (S2) des Detektionsbereiches (DB) reflektiertes Empfangslicht (20, 20.2) zu empfangen. Das Lidar-System (10) ist eingerichtet, aus dem Empfangslicht (20, 20.2), welches von außerhalb des ersten Segmentes (S1) empfangen wurde, zumindest einen Korrekturwert zu ermitteln und abzuspeichern. Die Anmeldung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb des Lidar-Systems sowie eine Verwendung des Lidar-Sytems.

Description

Lidar-System zur Entfernungsermittlung, Verfahren zum Betreiben eines Lidar-Systems sowie Verwendung des Lidar-Systems

Technisches Gebiet

Die Anmeldung betrifft ein Lidar-System zur Entfernungsermittlung zu einem Objekt in einem Detektionsbereich, ein Verfahren zum Betreiben eines Lidar-Systems zur Entfernungsermittlung sowie eine Verwendung des Lidar-Systems.

Hintergrund

Moderne Fahrzeuge (Autos, Transporter, Lastwagen, Motorräder etc.) verfügen über eine Vielzahl an Sensoren, deren Daten zur Fahrerinformation dienen und/oder Fahrerassistenzsystemen zur Verfügung gestellt werden. Über die Sensoren werden die Umgebung des Fahrzeugs sowie andere Verkehrsteilnehmer er-fasst. Basierend auf den erfassten Daten kann ein Modell der Fahrzeugumgebung erzeugt werden und auf Veränderungen in dieser Fahrzeugumgebung reagiert wer-den.

Lidar-Systeme werden für verschiedene Funktionen ständig weiterentwickelt, z. B. für die Erfassung von Umgebungsinformationen im Nah- und Fernbereich von Fahrzeugen, wie Personenkraftwaren oder Nutzfahrzeugen. Lidar-Systeme können auch als Sensorsysteme für Fahrerassistenzsysteme, insbesondere Assistenzsysteme zur autonomen oder teilautonomen Fahrzeugsteuerung, dienen. Sie können insbesondere zur Erkennung von Hindernissen und/oder anderen Verkehrsteilnehmern im Front-, Heck- oder im Totwinkel-Bereich eines Fahrzeuges genutzt werden. Die Abstandsermittlung ist hierbei von besonderer Bedeutung.

Ein wichtiges Sensorprinzip für die Erfassung der Umgebung, z. B. von Fahrzeugen, ist dabei die Lidartechnik (Lidar engl. Light Detection and Ranging). Ein Lidar-System weist eine optische Sendeeinrichtung und eine optische Empfangseinrichtung auf. Die Sendeeinrichtung kann Sendelicht aussenden. In einem Lidar-System kann als Licht insbesondere Laserlicht im ultravioletten, visuellen oder infraroten Bereich zum Einsatz kommen. Durch die Empfangseinrichtung kann das ausgesendete Licht nach Reflexion an einem Objekt in einem Überwachungsbereich in der Umgebung des Lidar-Systems als Empfangslicht empfangen werden. Das Empfangslicht kann unter Verwendung des Sendelichts durch eine Recheneinheit des Lidar-Systems ausgewertet werden und es können die räumliche Lage und der Abstand des Objektes, an denen die Reflexion erfolgte, ermittelt werden. Unter Reflexion oder reflektiertem Licht wird vorliegend jegliches zurückgeworfenes Licht verstanden und soll insbesondere auch durch Streuung oder Absoptions-Emission zurückgeworfenes Licht umfassen. Zur Abstandsermittlung von Objekten können insbesondere sogenannte Time-of-Flight (TOF) Systeme Anwendung finden.

In DE102020131288A1 wird ein Lidar-System beschrieben, bei dem durch Ermittlung der Phasendifferenz zwischen Sendelicht und Empfangslicht der Abstand zu einem Objekt in einem Detektionsbereich ermittelt wird. Hierbei wird über vorbestimmte Zyklen moduliertes Sendelicht ausgesendet und Empfangszyklen für den Empfang des Empfangslichts vorgesehen. Bei einem in dieser Schrift beschriebenen Ausführungsbeispiel sind vier Empfangszyklen vorgesehen, wovon einer mit dem Sendezyklus in Phase ist (dies entspricht 0° bzw. 360° Phasenverschiebung) und weitere Empfangszyklen gegenüber dem Sendelicht um 90°, 180°, 270° zeitlich phasenverschoben sind.

Übersicht

Bei einem Lidar-System zur Entfernungsermittlung zu einem Objekt in einem Detektionsbereich des Lidar-Systems ist der Detektionsbereich in Segmente aufgeteilt. Das Lidar-System weist eine optische Sendeeinrichtung auf, welche eingerichtet ist, Sendelicht in ein erstes Segment des Detektionsbereiches auszusenden. Das Lidar-System weist weiter eine optische Empfangseinrichtung auf, welche eingerichtet ist, aus einem zweiten Segment des Detektionsbereiches reflektiertes Empfangslicht zu empfangen.

Durch Auswertung des Sendelichtes und des Empfangslichtes kann die Entfernung zu einem Objekt in dem ersten Segment ermittelt werden. Das Lidar-System ist eingerichtet, aus dem Empfangslicht, welches von außerhalb des ersten Segmentes empfangen wurde, zumindest einen Korrekturwert zu ermitteln und abzuspeichern. Der Korrekturwert kann also aus demjenigen Empfangslicht ermittelt werden, welches aus demjenigen Teil des zweiten Segments des Detektionsbereiches reflektiert wird, welcher sich außerhalb des ersten Segmentes befindet. Zur Ermittlung des Korrekturwertes kann also Empfangslicht herangezogen werden, welches von Stellen oder Objekten reflektiert wird, welche nicht direkt von dem Sendelicht angestrahlt wurden und/oder gar nicht von dem Sendelicht angestrahlt wurden. Es kann also durch den zumindest einen Korrekturwert sowohl mehrfach reflektiertes Sendelicht als auch reflektiertes Umgebungslicht Berücksichtigung finden.

Empfangslicht, welches außerhalb des ersten Segmentes reflektiert wird, kann zum Beispiel auf mehrfachreflektiertes Licht zurückgeführt werden. Es kann zum Beispiel durch eine Reflexion des Lichtes am Boden und/oder an weiteren Objekten und/oder an weiteren Systemkomponenten des Lidar-Systems beruhen. Insbesondere für Mehrkanal-Lidar-Systeme ist die Berücksichtigung von Mehrfachreflexionen wichtig. Die Berücksichtigung von Mehrfachreflexionen wird umso wichtiger, je größer das erste Segment, also der gleichzeitig aktive Messbereich des Lidar- Systems ist. Für Flash-Lidar-Systeme kann der Effekt durch Mehrfachreflexionswege besonders groß sein. Durch das beschriebene Lidar-System wird eine Erfassung des Mehrfachreflexionswege-Effektes sowohl bezogen auf seinen Größe als auch auf seinen Ort ermöglicht. Durch den ermittelten Korrekturwert ist auch eine Korrektur des Effektes bei der Entfernungsermittlung möglich. Insbesondere ist eine Korrektur auch für Time-of-Flight Lidar-Systeme möglich.

In Ausführungsformen kann der zumindest eine Korrekturwert auf die im zugehörigen ersten Segment verwendete Lichtstärke und/oder Belichtungszeit des Sendelichts normiert werden.

Das Lidar-System kann insbesondere als TOF-System zur Entfernungsermittlung ausgebildet sein. Ein TOF-System verwendet die Lichtlaufzeit, um eine Entfernung zu ermitteln. Es kann so als Entfernungsmessgerät zur Messung der Entfernung zu einem Objekt verwendet werden. Es kann als direktes TOF-System (dTOF) oder als indirektes TOF-System (iTOF) ausgebildet sein. Ein direktes TOF-System verwendet eine direkte Messung der Lichtlaufzeit, um die Entfernung zu einem Objekt zu ermitteln. Ein indirektes TOF-System verwendet ein von der Lichtlaufzeit abgeleitetes Maß, z. B. eine Phasendifferenz zwischen Sendelicht und Empfangslicht, zur Entfernungsermittlung. Bei dem Phasendifferenzverfahren kann über vorbestimmte Zyklen moduliertes Sendelicht durch die Sendeeinrichtung in den Detektionsbereich eingestrahlt werden. Der Detektionsbereich wird durch das Sendelicht bestrahlt und das Licht an einem Objekt im Detektionsbereich reflektiert. Das reflektierte Licht kann als Empfangslicht durch die Empfangseinrichtung empfangen und eine Phasendifferenz zwischen dem Sendelicht und dem vom Objekt im Detektionsbereich reflektierten Licht ermittelt werden. Aus der Phasendifferenz kann der Abstand zu dem Objekt ermittelt werden. Für das Phasendifferenzverfahren kann als moduliertes Licht z. B. Licht mit einer Amplitudenmodulation verwendet werden.

Die Korrekturwerte können z. B. aus Phasenwinkelkomponenten, wie DCS ("Differential Double Sample") bei iTOF oder Zeitinformationen bei dTOF bestehen, wobei auch vorverarbeitete Informationen wie Entfernungen und/oder Intensitäten denkbar sind.

In einer Ausführungsform ist das zweite Segment größer als das erste Segment. Ist das zweite Segment größer als das erste Segment, so ist der Bereich, aus dem Empfangslicht empfangen wird, größer als der Bereich, in den Sendelicht gesendet wird. Hierdurch wird reflektiertes Empfangslicht aus mehr Teilen des Detektionsbereiches empfangen als ausgesendet wird. Zugeordnet zu diesen Bereichen des zweiten Segmentes, welche außerhalb des ersten Segmentes liegen, können dann die Korrekturwerte abgespeichert werden. Diese Korrekturwerte hängen von Empfangslicht ab, welches zum Beispiel auf Mehrfachreflexionen des Sendelichtes beruht. Die Größe des zweiten Segmentes kann insbesondere im Hinblick auf die gewünschte Qualität des Mehrfachreflexionsunterdrückung angepasst werden.

Der Überwachungsbereich kann auch punktuell, das heißt durch sehr kleine oder sogar punktförmige erste Segmente, ausgeleuchtet werden. Durch die jeweilige örtliche Unterscheidung zwischen erstem, also aktiv beleuchtetem, Segment und zweitem, also nicht beleuchtetem, Segment innerhalb des gesamten Detektionsbereich wird jeweils die Unterscheidung zwischen direkt reflektiertem Licht und mehrfachreflektiertem Licht ermöglicht.

Alternativ oder zusätzlich kann das zweite Segment mit dem ersten Segment vollständig oder zumindest teilweise überlappen. In dieser Ausführungsform empfängt die Empfangseinrichtung reflektiertes Licht aus dem ersten Segment, welches auf direkter Reflexion des Sendelichtes im ersten Segment beruht. Dieses Empfangslicht, welches aus dem ersten Segment empfangen wurde, kann zum Beispiel zur Ermittlung des Abstandes zu einem Objekt im ersten Segment herangezogen werden. Weiter empfängt die Empfangseinrichtung Empfangslicht, welches innerhalb des zweiten Segmentes jedoch außerhalb des ersten Segmentes reflektiert wurde. Dieses Empfangslicht kann zur Ermittlung von Korrekturwerten herangezogen werden. Diese Korrekturwerte werden so abgespeichert, dass sie dem Bereich, aus dem sie reflektiert wurden und dem ersten Segment, in das das Sendelicht eingestrahlt wurde, auf dem das Empfangslicht beruht, zugeordnet werden können. Es kann dabei vorgesehen sein, das Aussenden des Sendelichtes in das erste Segment für mehrere verschiedene erste Segmente des Detektionsbereiches durchzuführen. Hierfür wird dann jeweils das Empfangslicht empfangen, welches auf direkten und mehrfachen Reflexionen des Sendelichtes beruht. Die Korrekturwerte werden jeweils so abgespeichert, dass sie dem zugehörigen ersten Segment zugeordnet werden können und örtlich dem Bereich des zweiten Segmentes zugeordnet werden können, aus dem sie reflektiert wurden. Hierbei ist es möglich, die Bereiche des gesamten Detektionsbereich mit mehreren Korrekturwerten zu versehen, die jeweils von den Mehrfachreflexionen abhängen, welche aus dem entsprechenden Bereich reflektiert werden.

Das Lidar-System ist eingerichtet, durch Auswertung des Sendelichtes und des Empfangslichtes, die Entfernung zu einem Objekt in dem ersten Segment zu ermitteln. Die Entfernungsermittlung wird dabei für mehrere erste Segmente des Detektionsbereiches durchgeführt, so dass sukzessive der gesamte Detektionsbereich durch Segmente, in die das Sendelicht eingestrahlt wird, abgedeckt werden kann. Hiermit wird eine Detektion von Objekten und/oder Entfernungsmessung zu Objekten im gesamten Detektionsbereich ermöglicht.

In einer Ausführungsform ist das Lidar-System eingerichtet, das Empfangslicht dem ersten Segment zuzuordnen, in welches das zugehörige Sendelicht gesendet wurde. Das Lidar-System ist weiter eingerichtet, verschiedene Komponenten des Empfangslichts verschiedenen Bereichen des zweiten Segmentes zuzuordnen, aus welchen das Empfangslicht jeweils reflektiert wurde. Ein ermittelter Korrekturwert kann dann dem zugehörigen Bereich des zweiten Segmentes des empfangenen Lichtes und dem ersten Segment des zugehörigen Sendelichtes zugeordnet und entsprechend abgespeichert werden.

Es ist also möglich für einen jeweiligen Bereich des Detektionsbereiches die Speicherung von mehreren Korrekturwerten vorzusehen, welche jeweils bezogen auf ein erstes Segment ermittelt wurden. Im Laufe des Betriebs eines solchen Lidar- Systems können, also Korrekturwerte für verschiedene durch Sendelicht angestrahlte erste Segmente gesammelt werden. Korrekturwerte können dabei ein Maß für mehrfache Mehrfachreflexionen bezogen auf ein jeweiliges erstes Segment darstellen. In Ausführungsformen kann dann die Entfernung zu einem Objekt im ersten Segment unter Verwendung des Empfangslichts ermittelt werden, welches aus Bereichen des ersten Segmentes reflektiert wurde. Zu diesen Bereichen des ersten Segmentes liegen dann Korrekturwerte vor, die wie zuvor beschrieben, ermittelt wurden. Diese Korrekturwerte sind den Bereichen des ersten Segmentes zuordenbar und können dann zur Ermittlung der Entfernung zu dem Objekt verwendet werden. Dies erhöht die Genauigkeit der Entfernungsermittlung, da über die Korrekturwerte Mehrfachreflexionen berücksichtigt werden können.

In Ausführungsformen können gesammelte Korrekturwerte in Form einer Mehrfach reflextionskarte gespeichert werden. Mittels des gesammelten Korrekturwerte können weiter Rückschlüsse auf Falschdetektionen gezogen werden und/oder spiegelnde Objekte und/oder teiltransparente Objekte bestimmt werden.

Bei sich nur sehr langsam verändernden oder statischen Umgebungen können die durch sukzessive Belichtung verschiedener erster Segmente aufgenommenen Korrekturwerte auch für die Korrektur von Voll-Flash-Aufnahmen, bei denen alle Bereiche des Detektionsbereiches gleichzeitig belichtet werden, benutzt werden. Dies kann mehrfachreflexionskorrigierte Aufnahmen mit hoher Framerate, also hoher zeitlicher Auflösung, ermöglichen.

Es ist ebenfalls möglich, z.B. während eines Kalibrierungsprozesses des Lidar-Sys- tems vor der Inbetriebnahme, gewonnene Korrekturwerte später während des Betriebs des Lidar-Systems zu nutzen. Die während des Kalibrierungsprozesses gewonnenen Korrekturwerte können z. B. systeminterne Effekte abbilden, welche sich während des Betriebs des Lidar-Systems nicht oder nur wenig und/oder langsam verändern. Daher kann dies vorteilhaft auch mit dem Verfahren im Betrieb des Lidar-Systems kombiniert werden.

Die Entfernungsermittlung kann dabei zum Beispiel mittels eines indirekten oder direkten Time-of-Flight Systems erfolgen. Bei einem Time-of-Flight System wird mittels einer Laufzeitmessung für das gesendete und reflektierte Licht, eine Ermittlung der Entfernung zu dem Objekt, an dem das Licht reflektiert wurde, vorgenommen. Bei einem direkten Time-of-Flight System wird die Zeit dabei direkt gemessen. Bei einem indirekten Time-of-Flight System folgt die Zeitmessung über ein anderes Charakteristikum des Empfangslicht im Verhältnis zum Sendelicht. Insbesondere kann bei einem indirekten Time-of-Flight System die Phasenver- Schiebung zwischen Sende- und Empfangslicht zur Entfernungsmessung herangezogen werden. Die Phasenverschiebung bildet dabei ein Maß für die Entfernung des Objektes, an dem das Sendelicht reflektiert wurde.

Ein Lidar-System kann insbesondere als sogenanntes Flash-Lidar, Blitz-Lidar genannt, ausgestaltet sein. Dabei kann das Sendelicht gleichzeitig einen flächigen Bereich des Detektionsbereiches anstrahlen. Insbesondere kann das erste Segment gleich einem Blitz gleichzeitig durch das Sendelicht ausgeleuchtet werden. Auf diese Weise kann der angestrahlte flächige Bereich gleichzeitig bei einer Messung auf Objekte überwacht werden. Beim Flash-Lidar kann z. B. das Sendelicht einen aufgeweiteten Sendestrahlen aufweisen, der den flächigen Bereich des Detektionsbereiches ähnlich einem Blitzlicht möglichst gleichmäßig ausleuchtet. Die Sendeeinrichtung kann hierzu entsprechende optische Bauteile, beispielsweise Linsen, Diffusoren, Beugungselemente, diffraktive optische Elemente, strahlformende Elemente oder dergleichen aufweisen, mit denen das Sendelicht so beeinflusst wird, dass es den flächigen Bereich möglichst gleichmäßig ausleuchtet. Es ist ebenso möglich bei einem Flash-Lidar das Sendelicht durch ein sogenanntes Array von Einzellichtquellen zu erzeugen und so den flächigen Bereich gleichzeitig anzustrahlen. Hierfür kommen z. B. sogenannte Optical Phased Arrays (OPA) zum Einsatz. In einer solchen Ausführungsform ist die Sendeeinrichtung mehrkanalig.

Das Lidar-System kann z. B. als Mehrkanal-Lidar ausgebildet sein, bei dem auf der Empfangsseite und/oder der Sendeseite mehrere Kanäle gleichzeitig verwendet werden. Das Mehrkanal-Lidar kann insbesondere auch als Flash-Lidar, Blitz-Lidar genannt, ausgestaltet sein, bei dem die Empfangseinrichtung mehrkanalig ist und die Sendeeinrichtung einkanalig oder mehrkanalig sein kann. Eine mehrkanalige Empfangseinrichtung für ein Flash-Lidar kann z. B. das reflektierte Empfangslicht durch mehreren Empfangselementen, z. B. in Form eines Optical Phased Arrays, empfangen.

Insbesondere die Empfangseinrichtung eines mehrkanaligen Lidar-Systems kann mehrkanalig ausgebildet sein und Empfangslicht aus mehreren Richtungen zugleich empfangen. Besonders vorteilhaft für das beschriebene Lidar-System da vorgesehen werden kann, die Empfangseinrichtung so auszulegen, dass er Empfangsbereich, also das zweite Segment, größer ist als das erste Segment, also der Sendebereich der Sendeeinrichtung. Das zweite Segment und insbesondere die Bereiche des zweiten Segmentes, die außerhalb des ersten Segmentes liegen, können dann zur Ermittlung der zuvor beschriebenen Korrekturwerte herangezogen werden.

Vorteilhafterweise kann die das Lidar-System bei Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, verwendet werden. Vorteilhafterweise kann es bei Landfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Bussen, Motorrädern oder dergleichen, Luftfahrzeugen, insbesondere Drohnen, und/oder Wasserfahrzeugen verwendet werden. Das Lidar-System kann auch bei Fahrzeugen eingesetzt werden, die autonom oder teilautonom betrieben werden können. Das Lidar-System ist jedoch nicht beschränkt auf Fahrzeuge. Es kann auch im stationären Betrieb, in der Robotik und/oder bei Maschinen, insbesondere Bau- oder Transportmaschinen, wie Kränen, Baggern oder dergleichen, eingesetzt werden.

Das Lidar-System kann vorteilhafterweise mit wenigstens einer elektronischen Steuervorrichtung eines Fahrzeugs oder einer Maschine, insbesondere einem Fahre rassi stenzsystem und/oder einer Fahrwerksregelung und/oder einer Fahrer-Informationseinrichtung und/oder einem Parkassistenzsystem und/oder einer Gestenerkennung oder dergleichen, verbunden oder Teil einer solchen sein. Auf diese Weise kann die Steuervorrichtung die ermittelten Abstandsinformationen weiterverarbeiten und z. B. wenigstens ein Teil der Funktionen des Fahrzeugs oder der Maschine kann autonom oder teilautonom betrieben werden. Mit dem Lidar-System können stehende oder bewegte Objekte, insbesondere Fahrzeuge, Personen, Tiere, Pflanzen, Hindernisse, Fahrbahnunebenheiten, insbesondere Schlaglöcher oder Steine, Fahrbahnbegrenzungen, Verkehrszeichen, Freiräume, insbesondere Parklücken, Niederschlag oder dergleichen, erfasst werden und/oder der Abstand zu dem stehenden oder bewegten Objekten ermittelt werden.

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines solchen Lidar-Systems zur Entfernungsermittlung zu einem Objekt in einem Detektionsbereich, ist der Detektionsbereich in Segmente aufgeteilt. Das Lidar-System weist eine optische Sendeeinrichtung und eine optische Empfangseinrichtung auf.

Das Verfahren umfasst:

Aussenden von Sendelicht durch die Sendeeinrichtung in ein erstes Segment des Detektionsbereiches.

Empfangen von aus einem zweiten Segment des Detektionsbereiches reflektiertem Empfangslicht durch die optische Empfangseinrichtung. Ermitteln von zumindest einem Korrekturwert aus dem Empfangslicht, welches von außerhalb des ersten Segmentes empfangen wurde.

Abspeichern des zumindest einen Korrekturwertes.

Eine Auswertung des Sendelichtes und des Empfangslichtes kann dabei Bestandteil der Entfernungsermittlung zu dem Objekt sein. Insbesondere kann der zumindest eine Korrekturwert ebenfalls zur Entfernungsermittlung herangezogen werden.

Bevorzugt wird das oben beschriebene Verfahren für weitere erste Segmente des Detektionsbereiches wiederholt. Dabei wird das jeweilige Empfangslicht dem ersten Segment, in welches das zugehörige Sendelicht gesendet wurde, zugeordnet. Weiter wird das jeweilige Empfangslicht den verschiedenen Bereichen des zweiten Segmentes, aus welchen das Empfangslicht jeweils reflektiert wurde, zugeordnet. Die Größe des zweiten Segmentes kann insbesondere im Hinblick auf die gewünschte Wiederholrate des Verfahrens angepasst werden.

Empfangslicht, das aus dem ersten Segment reflektiert wurde, entspricht dabei einer direkten Reflexion des Sendelichtes. Dieses Empfangslicht wird zum Beispiel zur Entfernungsermittlung der Entfernung zu einem Objekt im ersten Segment herangezogen. Empfangslicht, welches aus verschiedenen Bereichen des zweiten Segmentes reflektiert wurde, entspricht dabei zum Beispiel Mehrfachreflexionen des Sendelichtes. Durch die ermittelten Korrekturwerte wird ermöglicht, Effekte möglicher Mehrfachreflexionen bei der Entfernungsermittlung berücksichtigen zu können.

Insbesondere wird dabei der zumindest eine Korrekturwert zur dem zugehörigen Bereich des zweiten Segmentes zugeordnet und dem ersten Segment des zugehörigen Sendelichtes zugeordnet. Somit steht der zumindest eine Korrekturwert zur Verfügung, um bei der Entfernungsermittlung Berücksichtigung zu finden.

Es ist dabei möglich, mehrere Korrekturwerte für einen jeweiligen Bereich des Detektionsbereiches zu ermitteln und abzuspeichern. Die ermittelten Korrekturwerte eines jeweiligen Bereiches sind dabei jeweils bezogen auf ein erstes Segment, in das das zugehörige Sendelicht gesendet wurde.

Bei dem Verfahren wird weiter die Entfernung zu einem Objekt in dem ersten Segment ermittelt. Zur Entfernungsermittlung wird das Empfangslicht verwendet, welches dem Bereich oder den Bereichen zugeordnet ist, die im ersten Segment liegen. Die Entfernungsermittlung wird weiter unter Verwendung der Korrekturwerte durchgeführt, welche dem Bereich oder den Bereichen zugeordnet sind, die im ersten Segment legen. Diese Korrekturwerte wurden bei vorangehenden Durchläufen des Verfahrens ermittelt, wenn jeweils andere erste Segmente angestrahlt wurden.

Durch das Verfahren können Mehrfachreflexionen bei der Entfernungsermittlung berücksichtigt werden, welche in den Korrekturwerten abgebildet sind. Es können sowohl Mehrfachreflexionen aus der Umgebung als auch von Systemkomponenten wie Abdeckgläsern, Windschutzscheiben und/oder dem Empfängerobjektiv korrigiert werden. Es kann ebenfalls optisches Übersprechen innerhalb des Lidar-Sys- tems, insbesondere zwischen verschiedenen Kanälen eines mehrkanaligen Lidar- Systems, korrigiert werden.

Die Anmeldung betrifft weiter ein Lidar-System, wie zuvor beschrieben, zur Detektion von Objekten und/oder zur Entfernungsermittlung zu Objekten eingesetzt werden kann. Die Detektion und/oder die Entfernungsermittlung erfolgt dabei durch Auswerten des Sendelichts und des Empfangslichtes, welches von außerhalb des ersten Segmentes empfangen wurde. Das Lidar-System kann also verwendet werden, um Objekte außerhalb des ersten Segmentes, also außerhalb des anstrahlen Bereiches durch das Sendelicht zu detektieren und/oder deren Entfernung zu ermitteln. Diese Detektion und/oder Entfernungsermittlung erfolgt dabei unter Verwendung von Mehrfachreflexionen.

Fiourenliste

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele dieser Anmeldung anhand der Figuren weiter erläutert und beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Überblick über ein Lidar-System mit Detektionsbereich,

Fig. 2 einen schematischen Ablauf eines Verfahren zur Betreiben des Lidar-Sys- tems,

Fign. 3-5 einen schematischen Überblick über mögliche Mehrfachreflexionswege in einem Lidar-System,

Fig. 6 Beispiele von Mehrfachreflexionen in Time-of-Flight (TOF) Systemen und

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges mit Lidar-System und Überwachungsbe reich. Es werden in den Figuren die gleichen Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente verwendet. Darstellungen in den Figuren können nicht maßstäblich sein.

Fiaurenbeschreibuna

Figur 1 zeigt schematisch ein Lidar-System 10 mit einer optischen Sendeeinrichtung 12, einer optischen Empfangseinrichtung 14 und einer Recheneinheit 16. Die optische Sendeeinrichtung 12 strahlt Sendelicht 18 in ein erstes Segment S1 eines Detektionsbereiches DB ab. Durch die Recheneinheit 16 kann die Strahlrichtung des Sendelichtes 18 gesteuert werden. Dadurch können mehrere verschiedene erste Segmente S1 innerhalb des Detektionsbereiches DB durch das Sendelicht 18 angestrahlt werden.

Die Empfangseinrichtung 14 ist mehrkanalig ausgebildet. Sie kann Empfangslicht 20 aus mehreren verschiedenen Richtungen empfangen. Das Empfangslicht 20 weist Anteile 20.1 und 20.2 auf. Ein zweites Segment S2 entspricht dem Empfangsbereich für die Empfangseinrichtung 14. Dies bedeutet, dass die Empfangseinrichtung 14 Licht empfangen kann, das aus dem zweiten Segment S2 reflektiert wird. Bei dem Empfangslicht 20.1, welches aus dem ersten Segment S1 reflektiert wird, handelt es sich um direkt reflektiertes Empfangslicht 20.1 des Sendelichts 18. Aus anderen Bereichen Bl, B2 des zweiten Segmentes S2 wird Sendelicht 20.2 in Richtung der Empfangseinrichtung 14 reflektiert, bei dem es sich um mehrfachreflektiertes Sendelicht 18 handelt.

Im vorliegenden dargestellten Ausführungsbeispiel ist das zweite Segment S2, das den Empfangsbereich der optischen Empfangseinrichtung 14 darstellt, größer als das erste Segment Sl, das den Sendebereiche des Sendelichtes 18 darstellt. Das zweite Segment S2 überdeckt das erste Segment Sl vollständig. Es sind auch Ausführungsbeispiele denkbar, bei denen das zweite Segment S2, das erste Segment Sl nicht vollständig überdeckt.

In Figur 2 ist beispielhaft ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Lidar-Systems 10 dargestellt. In Schritt 102 sendet die optische Sendeeinrichtung 12 Sendelicht 18 in das erste Segment Sl des Detektionsbereiches DB aus. In Schritt 104 empfängt die optische Empfangseinrichtung 14 Empfangslicht 20.2 aus dem zweiten Segment S2 des Detektionsbereiches DB. Zusätzlich empfängt die Empfangseinrichtung 14 aus dem ersten Segment Sl des Detektionsbereiches DB reflektiertes Empfangslicht 20.1. In Schritt 106 ermittelt die Recheneinheit 16 zumindest einen Korrekturwert aus dem Empfangslicht 20.2, welches von außerhalb des ersten Segmentes S1 empfangen wurde. In Schritt 108 wird der zumindest eine Korrekturwert abgespeichert.

Die Schritte 102-108 werden für weitere erste Segmente S1 des Detektionsbereiches DB wiederholt. Sind alle ersten Segmente S1 des Detektionsbereiches DB durch die Schritte 102-108 abgearbeitet, so wird in Schritt 110 die Entfernung zu dem Objekt 24 in dem ersten Segment S1 ermittelt. Hierfür wird das Empfangslicht 20, 20.1, welches aus dem ersten Segment S1 reflektiert wurde, verwendet. Hierfür werden weiter die Korrekturwerte verwendet, welche in den Schritten 106 und 108 ermittelt und abgespeichert wurden.

Die Korrekturwerte werden z. B. in Form einer Mehrfachreflextionskarte so abgespeichert, dass für jeweilige Bereiche des Detektionsbereiches DB mehrere Korrekturwerte vorliegen. Verschiedene Korrekturwerte für einen jeweiligen Bereich Bl, B2 des Detektionsbereiches DB sind dabei jeweils einem ersten Segment S1 zuordenbar, in das das Sendelicht 18 abgestrahlt wurde, wofür der jeweilige Korrekturwert dann ermittelt wurde. Dabei ist jeweils ein Korrekturwert einerseits im ersten Segment S1 zugeordnet, wohin das zugehörige Sendelicht 18 abgestrahlt wurde, und der Korrekturwert ist zugleich dem jeweiligen zugehörigen Bereich Bl, B2 des zweiten Segmentes S2 zugeordnet, von wo das Empfangslicht 20.2 reflektiert wurde.

Die Zuordnung von Korrekturwert, erstem Segment Sl, und Bereich Bl, B2 des zweiten Segmentes S2 erfolgt dabei bevorzugt in der Recheneinheit 16.

In Figur 3 ist beispielhaft ein Lidar-System 10 mit einem Objekt 24 dargestellt. Objekt 24 befindet sich in dem Detektionsbereich DB des Lidar-Systems 10. Sendelicht 18 wird vom Lidar-System 10 in Richtung des Objektes 24 ausgestrahlt. Es erfolgt eine Reflexion des Sendelichtes 18 an dem Objekt 24. Dabei wird Empfangslicht 20.1 direkt zu dem Lidar-System 10 zurückreflektiert. Eine mehrfache Mehrfachreflexion ist zum Beispiel am Boden 22 möglich, von wo aus Empfangslicht 20.2 auf die Empfangseinrichtung 14 des Lidar-Systems 10 trifft. Im vorliegenden Beispiel ist der Empfangsbereich, das zweite Segment S2, der Empfangseinrichtung 14 so gewählt worden und insbesondere so groß gewählt worden, dass auch das Empfangslicht 20.2 durch die Empfangseinrichtung 14 empfangen wird, und zur Ermittlung des Korrekturwertes verwendet werden kann. In Figur 4 ist ein weiteres Beispiel von möglichen Mehrfachreflexionen bei dem Lidar-System 10 dargestellt. Hierbei sendet das Lidar-System 10 das Sendelicht 18 aus, welches von dem Objekt 24 reflektiert wird. Eine direkte Reflexion trifft als Empfangslicht 20.1 auf das Lidar-System 10 und die Empfangseinrichtung 14. Das Empfangslicht 20.2 wurde ebenfalls am Objekt 24 reflektiert und danach an einem weiteren Objekt 26, bevor es auf die Empfangseinrichtung 14 des Lidar-Systems 10 trifft. Auch dieses Empfangslicht 20.2 kann für die Ermittlung eines Korrekturwertes verwendet werden.

In Figur 5 ist Ausführungsbeispiel der optischen Empfangseinrichtung 14 dargestellt. Zur Detektion und damit Empfang des Empfangslichts 20 weist die optische Empfangseinrichtung 14 einen auf optische Eigenschaften, z. B. Wellenlänge, des Sendelichts 18 ausgelegten optischen Sensor 15 auf, welcher den Lichteinfall erfasst und welcher z. B. zumindest einen Punktsensor, Zeilensensor oder Flächensensor aufweisen kann. Der optische Sensor kann z. B. als eine (Lawinen)fotodi- ode, eine Photodiodenzeile, ein CCD-Sensor, ein Active-Pixel-Sensor, insbesondere ein CMOS-Sensor, oder dergleichen ausgebildet sein.

Die Empfangseinrichtung 14 weist den optischen Sensor 15 sowie eine Empfangsoptik 28 auf. Die Empfangsoptik 28 kann verschiedene optische Elemente aufweisen, wie zum Beispiel Linsen, Abdeckglas, Objektiv, welche z. B. Licht bündeln, aufweiten oder die Strahlrichtung von Licht verändern können. Empfangslicht 20 wird zum größten Teil als Empfangslicht 20.1 direkt durch die Empfangsoptik 28 auf den optischen Sensor 15 der optischen Empfangseinrichtung 14 gelenkt. Teile des Empfangslichts 20 können innerhalb der Empfangsoptik 28 mehrfach reflektiert werden und als Empfangslicht 20.2 auf dem optischen Sensor 15 auftreffen. Dabei handelt es sich also um Mehrfachreflexionen innerhalb der Empfangseinrichtung 14. Auch diese Art von Mehrfachreflexionen kann durch die Ermittlung des beschriebenen Korrekturwertes erfasst und korrigiert werden. Hierdurch wird ermöglicht, die Anforderungen an optische Bauteile und Komponenten des Lidar- Systems zu entspannen, was zu einer qualitativ besseren und/oder einer günstigeren Ausführung beitragen kann.

In Figur 6 ist beispielhaft dargestellt, wie direkt empfangenes Empfangslicht 20.1 und mehrfachreflektiertes Empfangslicht 20.2 in Time-of-Flight Systemen behandelt werden kann. Im oberen Teil von Figur 6 ist Empfangslicht 20.1 und mehrfachreflektiertes Empfangslicht 20.2 über der Zeitachse aufgetragen. Aus der Zeit vom Aussenden des Sendelichtes 18 bis zum Empfang des Empfangslichtes 20.1 kann auf die Entfernung des Objektes 24 geschlossen werden. Mehrfachreflektiertes Empfangslicht 20.2 braucht länger bis es den optischen Sensor 15 der optischen Empfangseinrichtung 14 erreicht. Es ist also auf der Zeitachse t im oberen Teil von Figur 6 weiter rechts aufgetragen. Ein entsprechender Korrekturwert kann ermittelt und gespeichert werden. Zur Korrektur einer solchen Mehrfachreflexion kann dieser Wert mit der entsprechenden Zeitverzögerung einfach ignoriert werden oder vom erfassten Empfangslicht 20 abgezogen werden.

Im unteren Teil von Figur 6 ist der Einfluss von Mehrfachreflexionen beispielhaft für ein indirektes Time-of-Flight System dargestellt.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel eines indirekten TOF-Systems wird die Phasendifferenz zwischen Sendelicht 18 und Empfangslicht 20 zur Entfernungsermittlung verwendet. Für das Phasendifferenzverfahren kann als moduliertes Licht insbesondere Licht mit einer Amplitudenmodulation verwendet werden. Hierbei kann das Sendelicht 18 z. B. in Form einer Sinuskurve amplitudenmoduliert werden und/oder es können Dreieckskurvenformen, Sägezahnkurvenformen oder dergleichen verwendet werden. Das Empfangslicht 20 weist dabei im Wesentlichen die selbe Form auf, kommt jedoch bedingt durch die Lichtlaufzeit mit einer Phasenverschiebung bei der Empfangseinrichtung 14 an.

Auf Basis von Sinuskurven kann das Empfangslicht 20 trigonometrisch ausgewertet werden, was rechentechnische Vorteile bringt. Amplitudenmodulierte Signale auf Basis von Dreieckskurven, Sägezahnkurven oder dergleichen können technisch einfach umgesetzt werden und sind wenig störungsanfällig.

Im in Figur 6 dargestellten Beispiel wird Sendelicht 18 amplitudenmoduliert in vorbestimmten Zeitabschnitten zyklisch ausgesendet und die Empfangseinrichtung 14 ebenfalls zu vorbestimmten Zeitabschnitten empfangsbereit. Hierbei sind für das Sendelicht 18 mehrere verschiedene Abfolgen von vorbestimmten Abschnitten der Empfangsbereitschaft vorgesehen. Das in den Empfangsabschnitten empfangenen jeweilige Empfangslichts 20 wird unter Verwendung des Sendelichts 18 zur Bestimmung der Phasenverschiebung ausgewertet. Die Verwendung von mehreren Abfolgen von vorbestimmten Empfangsabschnitten erlaubt eine genauere Ermittlung der Phasenverschiebung zwischen Sendelicht 18 und Empfangslicht 20. Im dargestellten Beispiel sind vier verschiedene Abfolgen von vorbestimmten Zeitabschnitten der Empfangsbereitschaft der Empfangseinrichtung 14 vorgesehen. Sie sind zeitlich gegeneinander um eine Phase von 90° verschoben. Eine Zeitverschiebung von 90 Grad bezieht sich hierbei auf die Periodendauer des Sendezyklus und entspricht damit einem Viertel der Periodendauer des Sendezyklus. Die vier zeitlichen Empfangsabschnitte sind, um 90° jeweils gegeneinander verschoben und gegenüber dem Sendezyklus um 90°, 180°, 270° und 360° verschoben. 360° Verschiebung entspricht hierbei 0°, d. h. ohne Phasenversatz gegenüber dem Sendezyklus. Während der vier Empfangszeiträume wird jeweils das empfangene Empfangslicht 20 gemessen.

Die Korrekturwerte hängen entsprechend von dem mehrfachreflektierten Lichtanteil 20.2 des Empfangslichtes 20 ab wie sie im unteren Teil von Figur 6 gestrichelt aufgetragen sind. Eine Korrektur kann beispielsweise durch Addition der Phasenwerte geschehen, insbesondere durch quadratische Addition der Phasenwerte, wie sie in Fig. 6 aufgetragen sind.

In Figur 7 ist schematisch ein Fahrzeug 100, zum Beispiel ein Personenkraftwagen, dargestellt. In einem Frontbereich des Fahrzeuges 100 ist das Lidar-System 10 angeordnet. Das Lidar-System 10 weist die optische Sendeeinrichtung 12 und die optische Empfangseinrichtung 14 auf. In der Recheneinheit 16 kann zur Entfernungsermittlung zu im Detektionsbereich DB befindlichen Objekten 24, 26 das Sende- und das Empfangslicht 18, 20 ausgewertet werden. Durch die Recheneinheit 16 kann ebenfalls der Sendevorgang in der Sendeeinrichtung 12 sowie der Empfangsvorgang in der Empfangseinrichtung 14 kontrolliert und gesteuert werden.

Der Detektionsbereich DB befindet sich vor dem Frontbereich des Fahrzeuges 100. Dadurch kann im dargestellten Beispiel ein Bereich in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug 100 überwacht werden. Es ist ebenfalls möglich, das Lidar-System 10 in anderen Bereichen des Fahrzeuges 100 anzuordnen, zum Beispiel im Heckbereich und/oder in Seitenbereichen. Es ist ebenfalls möglich, mehrere Lidar-Systeme 10 an dem Fahrzeug 100 anzuordnen, insbesondere auch in Eckbereichen des Fahrzeuges 100.

Mit dem Lidar-System 10 können stehende oder bewegte Objekte 24, 26, insbesondere Fahrzeuge, Personen, Tiere, Pflanzen, Hindernisse, Fahrbahnunebenhei- ten, insbesondere Schlaglöcher oder Steine, Fahrbahnbegrenzungen, Verkehrszeichen, Freiräume, insbesondere Parklücken, Niederschlag oder dergleichen, in dem Detektionsbereich DB erfasst werden und die Entfernung zu diesen stehenden oder bewegten Objekten 24, 26 ermittelt werden.

Claims

ANSPRÜCHE Lidar-System (10) zur Entfernungsermittlung zu einem Objekt (24) in einem Detektionsbereich (DB), wobei der Detektionsbereich (DB) in Segmente (SI, S2) aufgeteilt ist, und wobei das Lidar-System (10) aufweist: eine optische Sendeeinrichtung (12), welche eingerichtet ist, Sendelicht (18) in ein erstes Segment (Sl) des Detektionsbereiches (DB) auszusenden, eine optische Empfangseinrichtung (14), welche eingerichtet ist, aus einem zweiten Segment (S2) des Detektionsbereiches (DB) reflektiertes Empfangslicht (20, 20.1, 20.2) zu empfangen, und wobei das Lidar-System (10) eingerichtet ist, aus dem Empfangslicht (20, 20.2), welches von außerhalb des ersten Segmentes (Sl) empfangen wurde, zumindest einen Korrekturwert zu ermitteln und abzuspeichern. Lidar-System nach Anspruch 1, wobei das zweite Segment (S2) größer ist als das erste Segment (Sl) und/oder wobei das zweite Segment (S2) mit dem ersten Segment (Sl) zumindest teilweise überlappt. Lidar-System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Lidar-System (10) eingerichtet ist, durch Auswertung des Sendelichtes (18) und des Empfangslichtes (20, 20.1, 20.2) die Entfernung zu einem Objekt (24) in dem ersten Segment (Sl) zu ermitteln, und wobei die Entfernungsermittlung für mehrere erste Segmente (Sl) des Detektionsbereiches (DB) vorgesehen ist. Lidar-System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Aussenden des Sendelichtes in mehrere erste Segmente (Sl) des Detektionsbereiches (DB) und die Korrekturwertermittlung für mehrere erste Segmente (Sl) des Detektionsbereiches (DB) vorgesehen ist. Lidar-System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Lidar-System eingerichtet ist, das Empfangslicht (20, 20.1, 20.2) dem ersten Segment (Sl) zuzuordnen, in welches das zugehörige Sendelicht (18) gesendet wurde und verschiedenen Bereichen (Bl, B2) des zweiten Segmentes (S2) zuzuordnen, aus welchen das Empfangslicht (20, 20.2) jeweils reflektiert wurde. Lidar-System nach Anspruch 5, wobei der zumindest eine Korrekturwert dem zugehörigen Bereich (Bl, B2) des zweiten Segmentes und dem ersten Segment (Sl) des zugehörigen Sendelichtes (18) zuordenbar ist. Lidar-System nach Anspruch 5 oder 6, wobei für einen jeweiligen Bereich (Bl, B2) die Speicherung von mehreren Korrekturwerten vorgesehen ist, welche jeweils bezogen auf ein erstes Segment (Sl) ermittelt wurden. Lidar-System nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei vorgesehen ist, die Entfernung zu einem Objekt (24) in dem ersten Segment (Sl) unter Verwendung des Empfangslichts (20, 20.1) zu ermitteln, welches dem Bereich (Bl, B2) oder den Bereichen (Bl, B2) zuordenbar ist, die im ersten Segment (Sl) liegen und unter Verwendung der Korrekturwerte zu ermitteln, welche dem Bereich (Bl, B2) oder den Bereichen (Bl, B2) zuordenbar sind, die im ersten Segment (Sl) liegen. Lidar-System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Lidar-System zur Entfernungsermittlung mittels eines indirekten oder direkten ToF- Systems ausgebildet ist und/oder das Lidar-System (10) als Mehrkanal-Li- dar-System, insbesondere als Flash-Lidar-System, ausgebildet ist. Verfahren zum Betreiben eines Lidar-Systems (10) zur Entfernungsermittlung zu einem Objekt (24) in einem Detektionsbereich (DB), wobei der Detektionsbereich (DB) in Segmente (Sl, S2) aufgeteilt ist, wobei das Lidar- System (10) eine optische Sendeeinrichtung (12) und eine optische Empfangseinrichtung (14) aufweist und wobei das Verfahren umfasst:

Aussenden von Sendelicht (18) durch die optische Sendeeinrichtung (12) in ein erstes Segment (Sl) des Detektionsbereiches (DB),

Empfangen von aus einem zweiten Segment (S2) des Detektionsbereiches (DB) reflektiertem Empfangslicht (20, 20.2) durch die optische Empfangseinrichtung (14),

Ermitteln zumindest eines Korrekturwertes aus dem Empfangslicht (20, 20.2), welches von außerhalb des ersten Segmentes (Sl) empfangen wurde,

Abspeichern des zumindest einen Korrekturwertes. Verfahren nach Anspruch 10, weiter umfassend: Wiederholen des Verfahrens für weitere erste Segmente (Sl) des Detektionsbereiches (DB), wobei das jeweilige Empfangslicht (20, 20.1, 20.2) dem ersten Segment (Sl), in welches das zugehörige Sendelicht (18) gesendet wurde, und zumindest einem Bereich (Bl, B2) des zweiten Segmentes (S2), aus welchen das Empfangslicht (20, 20.2) reflektiert wurde, zugeordnet wird.

12. Verfahren n nach Anspruch 10 oder 11, weiter umfassend:

Zuordnen des zumindest einen Korrekturwerts zu dem zugehörigen Bereich (Bl, B2) des zweiten Segmentes und dem ersten Segment (Sl) des zugehörigen Sendelichtes (18).

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, weiter umfassend:

Ermitteln und Speichern von mehreren Korrekturwerten für einen jeweiligen Bereich (Bl, B2), wobei die Korrekturwerte jeweils bezogen auf ein erstes Segment (Sl) ermittelt wurden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, weiter umfassend:

Ermitteln der Entfernung zu einem Objekt (24) in dem ersten Segment (Sl) unter Verwendung des Empfangslichts (20, 20.1), welches dem Bereich (Bl, B2) oder den Bereichen (Bl, B2) zugeordnet ist, die im ersten Segment (Sl) liegen und unter Verwendung der Korrekturwerte, welche dem Bereich (Bl, B2) oder den Bereichen (Bl, B2) zugeordnet sind, die im ersten Segment (Sl) liegen.

15. Verwendung des Lidar-Systems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Detektion von Objekten (24) und/oder zur Entfernungsermittlung zu Objekten (24) durch Auswerten des Sendelichts (18) und des Empfangslichtes (20, 20.2), welches von außerhalb des ersten Segmentes (Sl) empfangen wurde.