WO2019170597A1 - Betriebsverfahren für ein lidar-system, steuereinheit für ein lidar-system, lidar-system und arbeitsvorrichtung - Google Patents

Betriebsverfahren für ein lidar-system, steuereinheit für ein lidar-system, lidar-system und arbeitsvorrichtung Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method of operating a LiDAR system, in particular of the flash type, a control unit for a LiDAR system, a LiDAR system as such, and a working device which is formed with a LiDAR system, in particular a vehicle.
  • LiDAR systems which are designed to apply a field of view with light or infrared radiation and to detect and evaluate radiation reflected back from the field of view for analyzing the field of view and for detecting objects contained therein.
  • the transmitter-side variation of the sampling rate or sampling frequency, the shape of the groups of emitted pulses of the primary light and / or the shape of the individual pulses of the primary light reduces the probability that the pulses or pulse groups emitted by the LiDAR system under consideration are comparable to pulses or pulse groups a foreign source. Even when detecting signals from a foreign source, they can then be identified with greater probability as extraneous signals and excluded from consideration.
  • the time interval of pulses or groups of pulses of the primary light and / or the time interval of pulses of the primary light within a group of pulses can be varied over time.
  • a pulse parameter a pulse width, a pulse shape and / or a pulse time function of a pulse to be emitted of the primary light can be varied over time.
  • Embodiment of the operating method according to the invention provided that an occurrence of interfering signals is detected on the receiver side and a sampling frequency and / or one or more pulse parameters of pulses of the primary light in their value depending on the occurrence of receiver-side noise and / or a corresponding evaluation are varied in time.
  • Primary light characterizing pulse parameter is filtered for correlation signal matched.
  • control signal can also be used with which the light source of the transmitter optics or its driver device is controlled.
  • a control unit for a flash type LiDAR system is also provided. This is to arranged to carry out the operating method for a Leader system according to the invention.
  • the present invention also proposes a flash type LiDAR system as such. This is with a transmitter optics for generating and emitting pulses of primary light in a field of view to its illumination, with a receiver optics for receiving, detecting and evaluating secondary light from the field of view and with a control unit according to the invention for controlling the operation of the transmitter optics and / or the receiver optics educated.
  • the present invention also provides a working device which is formed with a LiDAR system according to the invention.
  • the working device may be a vehicle, for example a motor vehicle. However, it is also conceivable embodiment as a robot or the like.
  • Figure 1 shows in the form of a schematic block diagram a
  • Embodiment of the invention LiDAR system.
  • Figures 2 and 3 show in schematic form amplitude-time diagrams for
  • FIG. 1 shows schematically in the manner of a block diagram an embodiment of the LiDAR system 1 according to the invention.
  • equipped LiDAR system 1 is in addition to a control and evaluation unit 40 from the operation of the LiDAR system 1 underlying optical arrangement 10 with a light source unit 65, for example with one or more light sources 65-1, a transmitter optics 60, a Receiver optics 30 and a detector assembly 20.
  • the control of the operation of the LiDAR system 1 and the evaluation of the signals received by the LiDAR system 1 is carried out by the control and evaluation unit 40.
  • control and initiation by means of the control and evaluation unit 40 via a control line 42 causes the light source unit 65 to generate and output primary or primary light 57 in the form of pulses or groups of pulses.
  • the primary light 57 is modeled by means of a beam-shaping optical system 66 in accordance with the application and then emitted by means of a transmitting-side deflection optics 62 into a field of view 50 with an object 52 of a scene 53 contained therein.
  • the focus is on a pulsed operation of the light source unit 65 and the respective light sources 65-1, for example in the form of pulsed laser sources.
  • the light reflected from the field of view 50 and the object 52 is also referred to as a secondary or secondary light 58 and received in the receiver optics 30 by means of a lens 34, optionally from one
  • Detector assembly 20 with one or more sensor elements or detector elements 22 transmitted.
  • the sensor elements 22 of the Detector arrangement 20 in turn generate signals representing the secondary light 58, which signals are transmitted to the control and evaluation unit 40 by means of a control and measuring line 41.
  • control and evaluation unit 40 consists of a higher-level control system 100, which is connected by means of a bus 101 to a transmission unit 70, a reception unit 80 and a reception unit 80
  • Correlation unit 90 is connected.
  • control system 100 and the units 70, 80, and 90 may actually function as separate components within the control and evaluation unit 40
  • LiDAR system 1 in which one or more of the components of the control and evaluation unit 40 are combined and integrated, so that the representation of Figure 1 is only the representation of the existing components in principle, the however, this does not necessarily reflect a concrete architecture and may deviate from the representation of FIG.
  • the focus in the operation of the LiDAR system on the pulse principle in which the field of view 50 in the pulse mode of
  • Light source unit 65 is illuminated with the light sources 65-1 with the primary light 57 and examined.
  • a temporal variation of the sampling rate or sampling frequency of the pulses of the primary light 57 and / or pulse parameters of the pulses of the primary light 57 is carried out, for example by means of the control and evaluation unit 40 a corresponding control the light source unit 65 and in particular the one or more
  • Light sources 65-1 takes place, optionally via a control of a
  • Light source driver which may be part of the light source unit 65 and is not explicitly shown here.
  • Figures 2 and 3 show diagrammatically graphs 120 and 130 in the sense of amplitude-time diagrams for characterizing time-varying Curves of the emitted primary light 57 - understood as a transmission signal Tx as a function of time T - in a transmitter-side variation of the sampling rate or the pulse time function according to the invention.
  • the time t is plotted as a parameter and on the respective ordinates 122, 132 the transmission signal amplitude Tx as a function of the time t. This results in the transmission pulse sequences represented by the tracks 123, 133.
  • Pulse groups 123-1 and 123-2 formed by individual pulses 57-1.
  • Pulse group 123-3 has three identical individual pulses 57-1 at an identical time interval At3.
  • time interval between the individual pulses 57-1 could be varied in a pulse group.
  • the fourth pulse group 123-4 consists of identical individual pulses 47-1 at a constant time interval At4.
  • This time interval At4 may be identical to the previous time interval At3, but this too is not mandatory.
  • the pulse groups 123-3 to 123-4 have mutually time intervals H to T3, which are chosen to be approximately constant here.
  • the time intervals T1 to T3 can also have different values and be varied.
  • the individual pulses 57-1 used in the track 123 in the embodiment according to FIG. 2 are selected identical to one another. Also here are available Variations according to the invention, namely by different design of the individual pulses 57-1.
  • the entire transmission signal of the track 133 consists of a sequence of individual pulses selected from a set of different individual pulses 57-1 to 57-4. These individual pulses 57-1 to 57-4 differ from each other exclusively by their respective pulse width t1 to t4, which in this order form a monotonously increasing series, but it has an identical amplitude.
  • Overlaps can interfere with each other and thus lead to disturbed measurements (e.g., noisy 3D point clouds) due to mutual glare (e.g., detector saturation, blooming).
  • mutual glare e.g., detector saturation, blooming
  • the readiness of a LiDAR system can be directly attacked by unwanted or malicious external light exposure (jamming).
  • variable sampling rate and / or variable pulse characteristics for example the pulse width, pulse time function
  • Lighting method code overlay on the LiDAR sampling behavior
  • a key aspect of the invention is the provision of intelligent control or regulation of the sampling rate and / or the pulse shape of a LiDAR system 1, in particular with regard to maximum permissible variability.
  • Both a higher or lower sampling rate adapted to the current measurement situation can be set here or, for example, by one
  • the goal here is, over time as an additional degree of freedom, the likelihood of mutual influence of LiDAR systems in the road application
  • a variability of the sampling rate e.g., in the range of about 10 Hz to about 30 Hz
  • selected pulse shape parameters to allow different resolutions of the depth information or exposure times
  • a controller With the aid of a controller or a control, the time-invariant scanning and lighting conditions of a LiDAR sensor 1 are to be replaced by a time-variant sampling curve (see FIG. 2) optimized in terms of minimal crosstalk probability (see FIG. 3) and the pulse shape (see FIG. 3) ,
  • a controller comprises a fixed specification of the time behavior, for example, via linear or higher-order functions according to increasing or decreasing sampling frequencies or
  • Pulse shape parameters e.g., pulse width or pulse time function
  • a regulation comprises a back measurement of selected parameters, e.g. the
  • Crosstalk frequency interpretation of the current measurement situation with regard to the number of object or foreign sensors, the success / failure rate of a measurement ("false positives", “false negatives"), the number of individual measurements required in the respective distance (histogram formation), the likelihood of small objects in certain cases Distances, the vehicle's own speed or similar parameters to optimize LiDAR system timing.
  • Time behavior takes place directly via control of the laser driver and optionally in addition to the detector module.
  • CW-based LiDAR systems 1 identical phase position in the transmission signals, it is possible in CW-based LiDAR systems 1 by varying the phase and / or waveform and / or by modulation of a higher frequency carrier wave and / or by means of different steep or random vor Hegecardter frequency ramps a distinction to others CW-based LiDAR systems.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Betriebsverfahren für ein LiDAR-System (1) vom Flashtyp, bei welchem aufeinanderfolgend Pulse erzeugten Primärlichts (57) in ein Sichtfeld (50) zu dessen Beleuchtung ausgesandt werden, aus dem Sichtfeld (50) stammendes Sekundärlicht (58) empfangen, detektiert und ausgewertet wird und eine Abtastfrequenz, mit welcher Pulse oder Gruppen von Pulsen des Primärlichts (57) ausgesandt werden, eine Anzahl Pulsen des Primärlichts (57) in einer Gruppe von Pulsen und/oder ein oder mehrere einen jeweiligen Puls des Primärlichts (57) charakterisierende Pulsparameter zeitlich variiert werden.

Description

Beschreibung
Titel
Betriebsverfahren für ein LiDAR-Svstem, Steuereinheit für ein LiDAR-Svstem,
LiDAR-Svstem und Arbeitsvorrichtung
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für ein LiDAR-System, insbesondere vom Flashtyp, eine Steuereinheit für ein LiDAR-System, ein LiDAR-System als solches sowie eine Arbeitsvorrichtung, welche mit einem LiDAR-System ausgebildet ist, insbesondere ein Fahrzeug.
Zur Umfelderkennung von Arbeitsvorrichtungen und insbesondere von
Fahrzeugen werden vermehrt so genannte LiDAR-Systeme eingesetzt, welche ausgebildet sind, ein Sichtfeld mit Licht oder Infrarotstrahlung zu beaufschlagen und von dem Sichtfeld zurückgeworfene Strahlung zur Analyse des Sichtfeldes und zur Detektion von darin enthaltenen Objekten zu erfassen und auszuwerten.
Um bei gepulst betriebenen LiDAR-Systemen - also insbesondere bei LiDAR- Systemen vom Flashtyp - ein Übersprechen und Störungen durch andere Signalquellen zu reduzieren, wird zum Beispiel auf ein aufwendiges
pulssequenzcodiertes Vorgehen für den Betrieb des jeweiligen LiDAR-Systems mit einem entsprechenden steuertechnischen Mehraufwand in der Senderoptik und der Empfängeroptik zurückgegriffen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für ein LiDAR-System mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit verhältnismäßig geringem Aufwand ein Übersprechen und Störungen durch andere Signalquellen reduziert und damit eine verbesserte Kanaldiskriminierung erreicht werden können. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass ein Betriebsverfahren für ein LiDAR-System geschaffen wird, bei welchem (i) aufeinanderfolgend Pulse erzeugten
Primärlichts in ein Sichtfeld zu dessen Beleuchtung ausgesandt werden, (ii) aus dem Sichtfeld stammendes Sekundärlicht empfangen, detektiert und ausgewertet wird und (iii) eine Abtastfrequenz, mit welcher Pulse oder Gruppen von Pulsen des Primärlichts ausgesandt werden, eine Anzahl von Pulsen des Primärlichts in einer Gruppe von Pulsen und/oder ein oder mehrere einen jeweiligen Puls des Primärlichts charakterisierende Pulsparameter zeitlich variiert werden. Durch das senderseitige Variieren der Abtastrate oder Abtastfrequenz, der Gestalt der Gruppen ausgesandter Pulse des Primärlichts und/oder der Gestalt der einzelnen Pulse des Primärlichts wird die Wahrscheinlichkeit dafür reduziert, dass die vom betrachteten LiDAR-System ausgesandte Pulse oder Pulsgruppen vergleichbar sind mit Pulsen oder Pulsgruppen einer Fremdquelle. Selbst beim Detektieren von Signalen einer Fremdquelle können diese dann mit höherer Wahrscheinlichkeit als Fremdsignale identifiziert und von der Berücksichtigung ausgeschlossen werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß können einer vorteilhaften Ausführungsform des vorgestellten Betriebsverfahrens mit der Abtastfrequenz der zeitliche Abstand von Pulsen oder Gruppen von Pulsen des Primärlichts und/oder der zeitliche Abstand von Pulsen des Primärlichts innerhalb einer Gruppe von Pulsen zeitlich variiert werden.
Zusätzlich oder alternativ können gemäß einer anderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als Pulsparameter eine Pulsweite, eine Pulsform und/oder Pulszeitfunktion eines auszusendenden Pulses des Primärlichts zeitlich variiert werden.
Beim zeitlichen Variieren der Abtastfrequenz, der Gestalt von Pulsgruppen, der Anzahl von Pulsen in einer Pulsgruppe und/oder eines einen jeweiligen Puls des Primärlichts charakterisierenden Pulsparameters bieten sich vielfältige
Möglichkeiten an.
Ganz allgemein können eine Abtastfrequenz und/oder ein oder mehrere
Pulsparameter in ihrem Wert zumindest abschnittsweise monoton oder streng monoton ansteigend, zumindest abschnittsweise monoton oder streng monoton abfallend, ansteigend und/oder abfallend nach einer linearen oder quadratischen Funktion oder einer Funktion höherer Ordnung, stochastisch, auf der Grundlage von Pseudozufallszahlen und/oder auf der Grundlage einer vorbestimmten Auslesetabelle zeitlich variiert werden.
Auch sind beliebige Kombinationen dieser Vorgehensweisen denkbar.
Nicht unter allen Betriebsumständen ist eine komplexe zeitliche Variation erforderlich. Wenn zum Beispiel keine Störsignale auftreten oder zu erwarten sind kann das Maß an zeitlicher Variation deutlich reduziert werden. Es sind auch Ausführungsformen denkbar, bei welchen die zeitliche Variation zumindest temporär entfällt.
Zum Steuern eines derartigen Vorgehens ist es bei einer bevorzugten
Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens vorgesehen, dass ein Auftreten von Störsignalen empfängerseitig detektiert wird und eine Abtastfrequenz und/oder ein oder mehrere Pulsparameter von Pulsen des Primärlichts in ihrem Wert in Abhängigkeit vom Auftreten empfängerseitiger Störsignale und/oder einer entsprechenden Bewertung zeitlich variiert werden.
Um die Detektionsqualität und/oder Detektionswahrscheinlichkeit
empfängerseitig zu steigern, ist es gemäß einer anderen bevorzugten
Fortbildung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens vorgesehen, dass empfängerseitig beim Detektieren im Hinblick auf eine etwaige zeitliche Variation (i) einer Abtastfrequenz, mit welcher Pulse oder Gruppen von Pulsen des Primärlichts ausgesandt werden, (ii) einer Anzahl von Pulsen des Primärlichts in einer Gruppe von Pulsen und/oder (iii) eines einen jeweiligen Puls des
Primärlichts charakterisierenden Pulsparameters zur Korrelation signalangepasst gefiltert wird.
Dabei kann insbesondere auch dasjenige Steuersignal zum Einsatz kommen, mit welchem die Lichtquelle der Senderoptik oder deren Treibereinrichtung gesteuert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Steuereinheit für ein LiDAR-System vom Flashtyp geschaffen. Diese ist dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für ein Leader-System auszuführen.
Des Weiteren schlägt die vorliegende Erfindung auch ein LiDAR-System vom Flashtyp als solches vor. Dieses ist mit einer Senderoptik zum Erzeugen und Aussenden von Pulsen von Primärlicht in ein Sichtfeld zu dessen Beleuchtung, mit einer Empfängeroptik zum Empfangen, Detektieren und Auswerten von Sekundärlicht aus dem Sichtfeld und mit einer erfindungsgemäßen Steuereinheit zum Steuern des Betriebs der Senderoptik und/oder der Empfängeroptik ausgebildet.
Schließlich schafft die vorliegende Erfindung auch eine Arbeitsvorrichtung, welche mit einem erfindungsgemäßen LiDAR-System ausgebildet ist.
Bei der Arbeitsvorrichtung kann es sich um ein Fahrzeug handeln, zum Beispiel ein Kraftfahrzeug. Denkbar ist jedoch auch die Ausgestaltungsform als Roboter oder dergleichen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
Figur 1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine
Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems.
Figuren 2 und 3 zeigen in schematischer Form Amplituden-Zeitdiagramme zur
Charakterisierung erfindungsgemäß zeitlich variierter Verläufe von Pulsen ausgesandten Primärlichts bei einer senderseitigen Variation der Abtastrate bzw. der Pulszeitfunktion.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3
Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
Figur 1 zeigt nach Art eines Blockdiagramms in schematischer Weise eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1.
Das in Figur 1 dargestellte und für den Flashbetrieb oder Pulsbetrieb
eingerichtete LiDAR-System 1 besteht neben einer Steuer- und Auswerteeinheit 40 aus der dem Betrieb des LiDAR-Systems 1 zu Grunde liegenden optischen Anordnung 10 mit einer Lichtquelleneinheit 65, zum Beispiel mit einer oder mit mehreren Lichtquellen 65-1 , einer Senderoptik 60, einer Empfängeroptik 30 und einer Detektoranordnung 20. Die Steuerung des Betriebs des LiDAR-Systems 1 sowie die Auswertung der durch das LiDAR-System 1 empfangenen Signale erfolgt durch die Steuer- und Auswerteeinheit 40.
Im Betrieb wird durch Steuerung und Veranlassung mittels der Steuer- und Auswerteeinheit 40 über eine Steuerleitung 42 die Lichtquelleneinheit 65 zur Erzeugung und Ausgabe primären Lichts oder Primärlichts 57 in Form von Pulsen oder Gruppen von Pulsen veranlasst. Das Primärlicht 57 wird mittels einer Strahlformungsoptik 66 entsprechend dem Anwendungsfall modelliert und dann mittels einer sendeseitigen Ablenkoptik 62 in ein Sichtfeld 50 mit einem darin enthaltenen Objekt 52 einer Szene 53 ausgesandt.
Bei der vorliegenden Erfindung liegt der Fokus auf einem Pulsbetrieb der Lichtquelleneinheit 65 und der jeweiligen Lichtquellen 65-1 , zum Beispiel in Form von gepulsten Laserquellen.
Das aus dem Sichtfeld 50 und vom Objekt 52 reflektierte Licht wird auch als sekundäres oder Sekundärlicht 58 bezeichnet und in der Empfängeroptik 30 mittels eines Objektivs 34 aufgenommen, gegebenenfalls von einer
vorgesehenen Sekundäroptik 35 weiterbehandelt und dann an eine
Detektoranordnung 20 mit einem oder mit mehreren Sensorelementen oder Detektorelementen 22 übertragen. Die Sensorelemente 22 der Detektoranordnung 20 erzeugen ihrerseits das Sekundärlicht 58 repräsentierende Signale, die mittels einer Steuer- und Messleitung 41 an die Steuer- und Auswerteeinheit 40 übertragen werden.
Die Ausführungsform der Steuer- und Auswerteeinheit 40 gemäß Figur 1 besteht aus einem übergeordneten Steuersystem 100, welches mittels eines Busses 101 mit einer Sendeeinheit 70, einer Empfangseinheit 80 und einer
Korrelationseinheit 90 verbunden ist.
Es können das Steuersystem 100 und die Einheiten 70, 80 und 90 tatsächlich als separate Komponenten innerhalb der Steuer- und Auswerteeinheit 40
ausgebildet sein.
Es kann jedoch ein LiDAR-System 1 ausgebildet sein, bei welchem ein oder mehrere der Komponenten der Steuer- und Auswerteeinheit 40 miteinander kombiniert und integriert ausgebildet sind, so dass die Darstellung gemäß Figur 1 nur der Darstellung der vorhandenen Komponenten dem Grundsatz nach dient, die konkrete Architektur dadurch jedoch nicht unbedingt widergespiegelt wird und von der Darstellung aus Figur 1 abweichen kann.
Erfindungsgemäß liegt der Fokus beim Betrieb des LiDAR-Systems auf dem Pulsprinzip, bei welchem das Sichtfeld 50 im Impulsbetrieb der
Lichtquelleneinheit 65 mit den Lichtquellen 65-1 mit dem Primärlicht 57 beleuchtet und untersucht wird.
Erfindungsgemäß wird dabei zur Erhöhung der Detektionswahrscheinlichkeit und zur Vermeidung falscher Detektionen senderseitig eine zeitliche Variation der Abtastrate oder Abtastfrequenz der Pulse des Primärlichts 57 und/oder von Pulsparametern der Pulse des Primärlichts 57 durchgeführt, zum Beispiel indem über die Steuer- und Auswerteeinheit 40 eine entsprechende Ansteuerung der Lichtquelleneinheit 65 und insbesondere der einen oder der mehreren
Lichtquellen 65-1 erfolgt, gegebenenfalls über eine Ansteuerung eines
Lichtquellentreibers, der Bestandteil der Lichtquelleneinheit 65 sein kann und hier nicht explizit dargestellt ist.
Die Figuren 2 und 3 zeigen in schematischer Form Graphen 120 und 130 im Sinne von Amplituden-Zeitdiagrammen zur Charakterisierung zeitlich variierter Verläufe des ausgesandten Primärlichts 57 - aufgefasst als Sendesignal Tx als Funktion der Zeit T - bei einer erfindungsgemäßen senderseitigen Variation der Abtastrate bzw. der Pulszeitfunktion.
Auf den jeweiligen Abszissen 121 , 131 der Graphen 120, 130 ist die Zeit t als Parameter und auf der jeweiligen Ordinate 122, 132 die Sendesignalamplitude Tx als Funktion der Zeit t aufgetragen. Es ergeben sich die mit den Spuren 123, 133 dargestellten Sendepulsfolgen.
Bei der der Figur 2 zu Grunde liegenden Steuerung im Sinne einer
erfindungsgemäßen zeitlichen Variation bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für ein LiDAR-System 1 werden
Einzelpulse 57-1 erzeugt und in Form von Pulsgruppen 123-1 bis 123-4 mit zeitlichen Abständen T1 bis T3 ausgesandt, wobei jede einzelne Pulsgruppe 123-1 bis 123-4 als ein Sendesignal des Primärlichts 57 aufgefasst werden kann.
Dabei werden bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 die ersten beiden
Pulsgruppen 123-1 und 123-2 von Einzelpulsen 57-1 gebildet. Die dritte
Pulsgruppe 123-3 weist drei identische Einzelpulse 57-1 in einem identischen zeitlichen Abstand At3 auf.
Dies ist nicht obligatorisch, bei einer alternativen Ausgestaltungsform könnte der zeitliche Abstand zwischen den Einzelpulsen 57-1 in einer Pulsgruppe variiert werden.
Die vierte Pulsgruppe 123-4 besteht aus identischen Einzelpulsen 47-1 in einem konstanten zeitlichen Abstand At4. Dieser zeitliche Abstand At4 kann mit dem vorangehend zeitlichen Abstand At3 identisch sein, aber auch dies ist nicht zwingend.
Die Pulsgruppen 123-3 bis 123-4 besitzen zueinander zeitliche Abstände H bis T3, die hier in etwa konstant gewählt sind. Alternativ können die zeitlichen Abstände T1 bis T3 erfindungsgemäß auch unterschiedliche Werte aufweisen und variiert werden.
Die in der Spur 123 bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 verwendeten Einzelpulse 57-1 sind identisch zueinander gewählt. Auch hier bieten sich erfindungsgemäß Variationsmöglichkeiten an, nämlich durch unterschiedliche Ausgestaltung der Einzelpulse 57-1.
Denkbare Variationsmöglichkeiten der Einzelpulse werden durch die Spur 133 des Graphen 130 aus Figur 3 veranschaulicht.
Hier besteht das gesamte Sendesignal der Spur 133 aus einer Abfolge von einzelnen Pulsen, welche aus einem Satz unterschiedlicher Einzelpulse 57-1 bis 57-4 ausgewählt sind. Diese Einzelpulse 57-1 bis 57-4 unterscheiden sich voneinander ausschließlich durch ihre jeweilige Pulsweite t1 bis t4, welche in dieser Reihenfolge eine monoton ansteigende Reihe bilden, sie besitzt jedoch eine identische Amplitude.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Eine typische Problemstellung bei LiDAR-Systemen, insbesondere jedoch bei Flash-LiDAR-Ansätzen, ist die Übersprechproblematik. Baugleiche Systeme, aber auch bereits solche, die in Wellenlängenbereich (Bandpassfilterung) und Zeitverhalten (z.B. gepulstes TOF-Verfahren) hohe technologische
Überlappungen aufweisen, können sich gegenseitig beeinflussen und somit auf Grund gegenseitiger Blendung (z.B. Detektorsättigung, Blooming) zu gestörten Messungen (z.B. verrauschte 3D-Punktewolken) führen. Zudem ist durch ungewollte oder böswillige Fremdlichteinwirkung die Bereitschaft eines LiDAR- Systems unmittelbar angreifbar (Jamming).
Mit der vorliegenden Erfindung soll eine höhere Robustheit gegenüber der Übersprechproblematik baugleicher, gegenseitig beeinflussbarer oder von extern störbarer LiDAR-Systeme erreicht werden, indem eine variable Abtastrate und/oder variable Pulsmerkmale (z.B. der Pulsweite, Pulszeitfunktion) verwendet werden. Diese wären typischerweise durch eine unmittelbare Ansteuerung des Emitters bereits einfach möglich und erfordern im Vergleich zu codierten
Beleuchtungsverfahren (Codeüberlagerung auf das LiDAR-Abtastverhalten) keine zusätzlichen Schaltungen und keine Elemente der Kryptografie. Ein Kernaspekt der Erfindung ist das Vorsehen einer intelligenten Steuerung oder Regelung der Abtastrate und/oder der Pulsform eines LiDAR-Systems 1 , insbesondere hinsichtlich einer maximal zulässigen Variabilität.
Hierbei können sowohl eine der aktuellen Messsituation angepasste, höhere oder niedrigere Abtastrate eingestellt werden oder etwa durch einen
Zufallsparameteralgorithmus bzw. eine vorgegebene Abtastfrequenz- /Pulsweitenrampe (Frequenz-/Pulsweiten-Sweep) ein von Ego-Sensor - also dem Sensor eines betrachteten LiDAR-System 1 - zu Fremdsensor
unterschiedliches Zeitverhalten erreicht werden. Ziel hierbei ist es, über die Zeit als zusätzlichen Freiheitsgrad die Wahrscheinlichkeit einer gegenseitigen Beeinflussung von LiDAR-Systemen in der Straßenapplikation
(viele Sensoren, häufig gleiche Wellenlängen und Funktionsprinzipien, ähnliche Bauhöhen, etc.) zu minimieren.
Einige wesentliche Vorteile, die sich bei der Erfindung einstellen, sind:
- eine Verringerung oder gar Minimierung der Wahrscheinlichkeit eines
Übersprechens baugleicher oder ähnlicher LiDAR-Systeme,
- eine Variabilität der Abtastrate (z.B. im Bereich etwa 10 Hz bis etwa 30 Hz) und ausgewählter Pulsformparameter, um unterschiedliche Auflösungen der Tiefeninformation oder Belichtungszeiten zu ermöglichen,
- eine Möglichkeit, in der Tiefe interessante Objekte besonders häufig
abzutasten, beispielsweise um deren Existenz oder Maße zu plausibilisieren,
- Möglichkeiten, besonders gering reflektierende Objekte länger zu beleuchten, um ein höheres Signal-zu-Rauschverhältnis zu erhalten, beispielsweise durch Mittelung vieler von diesem Objekt reflektierter Pulse im Detektor (dabei mittelt sich das Rauschen in der Regel tendenziell zu Null, wogegen sich das Nutzsignal durch die Mittelung aus dem Rauschen stärker erhebt),
- ein optimierbares zeitliches Systemverhalten hinsichtlich einer aktuell
vorliegenden Messsituation und - ein vergleichsweise geringer Realisierungsaufwand (keine Codegenerierung, keine Dechiffrierung, keine zusätzlichen Schaltungen, da direkt durch den Lasertreiberansteuerung realisierbar).
Mit Hilfe einer Steuerung oder einer Regelung soll das nach aktuellem Stand der Technik zeitinvariante Abtast- und Beleuchtungserhalten eines LiDAR-Sensors 1 durch einen zeitvarianten, hinsichtlich minimaler Übersprechwahrscheinlichkeit optimierten Zeitverlauf der Abtastfrequenz (siehe Figur 2) und der Pulsform (siehe Figur 3) ersetzt werden. Hierbei umfasst eine Steuerung eine feste Vorgabe des Zeitverhaltens, beispielsweise über linear oder nach Funktionen höherer Ordnung ansteigenden oder sinkenden Abtastfrequenzen oder
Pulsformparametern (z.B. Pulsweite oder Pulszeitfunktion). Eine Regelung hingegen umfasst eine Rückmessung ausgewählter Parameter, z.B. der
Übersprechhäufigkeit, Interpretation der aktuellen Messsituation hinsichtlich der Objekt- oder Fremdsensoranzahl, der Erfolgs-/Misserfolgsrate einer Messung („false positives“,„false negatives“), der im jeweiligen Abstand benötigten Anzahl von Einzelmessungen (Histogrammbildung), des Existenzwahrscheinlichkeit kleiner Objekte in bestimmten Entfernungen, der Fahrzeugeigengeschwindigkeit oder ähnlicher Parameter zur Optimierung des LiDAR-Systemzeitverhaltens.
Damit ergibt sich erstmalig die Möglichkeit, im Falle einer zu häufigen Störung des Ego-Sensors beispielsweise die eigene Abtastrate gering und verstärkt zufällig zu gestalten und besonders kurze Pulse zu verwenden, während bei geringer Störhäufigkeit eine höhere und regelmäßigere Abtastrate und längere Pulse verwendet werden könnten. Die Einstellung des erwünschten
Zeitverhaltens erfolgt unmittelbar über Ansteuerung des Lasertreibers und ggf. zusätzlich des Detektormoduls.
Zur besseren Unterscheidung von Signalen bei LiDAR-Systemen mit
insbesondere identischer Phasenlage in den Sendesignalen ist es möglich, bei CW-basierten LiDAR-Systeme 1 durch Variation der Phase und/oder der Wellenform und/oder durch Modulation einer höher frequenten Trägerwelle und/oder mittels unterschiedlich steiler oder zufällig vorzeichengedrehter Frequenzrampen eine Unterscheidung zu anderen CW-basierten LiDAR- Systemen auszubilden.

Claims

Ansprüche
1. Betriebsverfahren für ein LiDAR-System (1) vom Flashtyp, bei welchem
- aufeinanderfolgend Pulse erzeugten Primärlichts (57) in ein Sichtfeld (50) zu dessen Beleuchtung ausgesandt werden,
- aus dem Sichtfeld (50) stammendes Sekundärlicht (58) empfangen, detektiert und ausgewertet wird und
- eine Abtastfrequenz, mit welcher Pulse oder Gruppen von Pulsen des Primärlichts (57) ausgesandt werden, eine Anzahl von Pulsen des Primärlichts (57) in einer Gruppe von Pulsen und/oder ein oder mehrere einen jeweiligen Puls des Primärlichts (57) charakterisierende
Pulsparameter zeitlich variiert werden.
2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1 , bei welchem mit der Abtastfrequenz der zeitliche Abstand von Pulsen oder Gruppen von Pulsen des
Primärlichts (57) und/oder der zeitliche Abstand von Pulsen des
Primärlichts (52) innerhalb einer Gruppe von Pulsen zeitlich variiert werden.
3. Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem als Pulsparameter eine Pulsweite, eine Pulsform und/oder Pulszeitfunktion eines auszusendenden Pulses des Primärlichts (57) zeitlich variiert werden.
4. Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem eine Abtastfrequenz und/oder ein oder mehrere Pulsparameter in ihrem Wert zumindest abschnittsweise monoton oder streng monoton ansteigend, zumindest abschnittsweise monoton oder streng monoton abfallend, ansteigend und/oder abfallend nach einer linearen oder quadratischen Funktion oder einer Funktion höherer Ordnung, stochastisch, auf der Grundlage von Pseudozufallszahlen und/oder auf der Grundlage einer vorbestimmten Auslesetabelle zeitlich variiert werden.
5. Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem
- ein Auftreten von Störsignalen empfängerseitig detektiert wird und - eine Abtastfrequenz und/oder ein oder mehrere Pulsparameter von Pulsen des Primärlichts (57) in ihrem Wert in Abhängigkeit vom
Auftreten der empfängerseitigen Störsignale zeitlich variiert werden.
6. Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem empfängerseitig beim Detektieren im Hinblick eine etwaige zeitliche Variation (i) einer Abtastfrequenz, mit welcher Pulse oder Gruppen von Pulsen des Primärlichts (57) ausgesandt werden, (ii) einer Anzahl von Pulsen des Primärlichts (57) in einer Gruppe von Pulsen und/oder (iii) eines einen jeweiligen Puls des Primärlichts (57) charakterisierenden
Pulsparameters zur Korrelation signalangepasst gefiltert wird.
7. Steuereinheit (40) für ein LiDAR-System (1) vom Flashtyp, welche
eingerichtet ist, ein Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
8. LiDAR-System (1) vom Flashtyp, mit:
- einer Senderoptik (60) zum Erzeugen und Aussenden von Pulsen von Primärlicht (57) in ein Sichtfeld (50) zu dessen Beleuchtung,
- einer Empfängeroptik (30) zum Empfangen, Detektieren und Auswerten von Sekundärlicht (58) aus dem Sichtfeld (50) und
- einer Steuereinheit nach Anspruch 7 zum Steuern des Betriebs der Senderoptik (60) und/oder der Empfängeroptik (30).
9. Arbeitsvorrichtung, welche mit einem LiDAR-System (1) nach Anspruch 8 ausgebildet ist.
10. Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 9, welche als Fahrzeug ausgebildet ist.
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