Vorrichtung und Verfahren zur Entfernungsmessung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Entfernungsmessung. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt.

Stand der Technik

Verfahren, die anstelle von Einzelpulsen (pseudo-zufällig) codierte Sequenzen von Lichtpulsen versenden, sind bekannt. Zur Detektion im Empfänger wird dabei die empfangene Pulsfolge mit der versendeten Pulsfolge z.B. mithilfe eines Optimalfilters (engl, matched filter) korreliert. Dies hat den positiven Effekt, dass die Störsicherheit gegenüber anderen, parallel betriebenen Lidar-Systemen zunimmt, da der Sensor idealerweise nur sensitiv für die eigene versendete Pulsfolge, nicht aber für Pulse von anderen Systemen ist.

DE 10 2004 037 137 A1 offenbart ein Verfahren zur Entfernungsmessung, bei dem ein Objekt mit intensitätsmodulierter elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wird und die Intensität der von dem Objekt reflektierten und/oder gestreuten Strahlung mit mindestens einem Detektor Laufzeit- bzw. phasensensitiv detektiert wird.

US 2010/0045965 A1 offenbart ein Lidar-System unter Verwendung einer pseudo-zufälligen Pulssequenz, bei dem innerhalb von einzelnen Teilmessungen jeweils eine pseudo-zufällige Folge von Lichtpulsen ausgesendet wird.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Entfernungsmessung bereitzustellen. Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Vorrichtung zur

Entfernungsmessung, aufweisend:

eine optische Sendeeinrichtung;

eine optische Empfangseinrichtung; und

eine Zufallsgeneratoreinrichtung, die funktional mit der optischen Sendeeinrichtung und mit der optischen Empfangseinrichtung verbunden ist; wobei

mittels der Zufallsgeneratoreinrichtung die optische Sendeeinrichtung derart gepulst ansteuerbar ist, dass mittels der optischen Sendeeinrichtung pro Teilmesszyklus ein optisches Sendesignal emittierbar ist, wobei in jedem Teilmesszyklus eine Startzeit des Sendesignals mittels der Zufallsgeneratoreinrichtung änderbar ist.

Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung mit erhöhter Störfestigkeit bereitgestellt. Dies wird dadurch erreicht, dass die gesamte mögliche Energie einer Teilmessung für einen Puls verwendet wird. Vorteilhaft ist dadurch gegenüber bekannten Sensoren eine Störfestigkeit erhöht, weil sich in der Umgebung befindliche emittierende Sensoren nicht auf den eigenen Sensor auswirken.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung, aufweisend die Schritte:

Gepulstes Ansteuern einer optischen Sendeeinrichtung mittels einer Zufallsgeneratoreinrichtung, wobei die optische Sendeeinrichtung derart angesteuert wird, dass mittels der optischen Sendeeinrichtung pro Teilmesszyklus ein pulsförmiges optisches Sendesignal emittiert wird, wobei in jedem Teilmesszyklus eine Startzeit des optischen Sendesignals geändert wird;

Empfangen eines optischen Empfangssignals mittels einer optischen Empfangseinrichtung; und

Verarbeiten des optischen Empfangssignals mittels einer Signalverarbeitungseinrichtung, wobei aus einer Laufzeit der Signale eine

Entfernung zum Objekt ermittelt wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung sind Gegenstand

abhängigen Ansprüchen. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine den Startzeiten entsprechende Pulswiederholfrequenz im Mittel konstant ist. Auf diese Weise lassen sich Objekte in definierten Reichweiten mittels einer im Mittel gleichbleibenden Pulswiederholfrequenz detektieren.

Weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass eine Signalverarbeitungseinrichtung für ein optisches Empfangssignal wenigstens eines aus: Optimalfilter, Maxiumsucheinrichtung, Schwerpunktberechnungseinrichtung ist. Auf diese Weise können mehrere alternative

Signalverarbeitungsmethoden durchgeführt werden, wobei mittels eines

Optimalfilters das beste Signal/Rausch-Verhältnis bereitgestellt werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die optische Sendeeinrichtung als Strahlungselement einen Laser aufweist. Auf diese Weise kann die Vorrichtung für vielfältige technische

Einsatzzwecke verwendet werden, insbesondere auch im Automotive-Bereich und/oder im Werkzeugbereich.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung ein Lidar-Sensor ist. Auf diese Weise wird eine nützliche Anwendung für die Vorrichtung im Automotive-Bereich bereitgestellt.

Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Bauelemente haben dabei gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.

Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die Vorrichtung zur Entfernungsmessung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Verfahrens zum Betreiben einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung ergeben und umgekehrt. In den Figuren zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Wirkungsweise eines

herkömmlichen Verfahrens zur Entfernungsmessung;

Fig. 2 ein nachteiliger Effekt des herkömmlichen Verfahrens aus Fig. 1 ;

Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung einer Wirkungsweise einer Ausführungsform eines vorgeschlagenen Verfahrens zur

Entfernungsmessung;

Fig. 4 eine prinzipielle Darstellung einer herkömmlich kodierten Folge von Pulsen zur Entfernungsmessung; eine prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens mit variablen Pulsbeginnzeiten innerhalb eines Teilmesszyklus; ein prinzipielles Blockschaltbild einer Vorrichtung zur

Entfernungsmessung; und

Fig. 7 eine prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform eines

Verfahrens zum Betreiben einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung.

Beschreibung von Ausführungsformen

Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, eine robustere Vorrichtung zur Entfernungsmessung bereit zu stellen.

Vorgeschlagen wird dazu, anstelle einer festen Pulswiederholfrequenz eine veränderliche Wederholfrequenz einzusetzen, um eine Zeitbasis zwischen eigenen und möglichen weiteren störenden Vorrichtungen (z.B. Lidar-Sensoren) aufzulösen. Vorteilhaft wird dadurch eine Maximalreichweite eines nicht kodierten Systems bei gleichzeitig erhöhter Störsicherheit bereitgestellt.

Aufgebaut ist die vorgeschlagene Vorrichtung wie ein typischer gepulster Lidar- Sensor, wobei sich eine Messung aus mehreren Pulswiederholungen (Teilmessungen) zusammensetzt (Multipuls-Lidar). Die gemessenen Ankunftszeiten des reflektierten Lichtpulses aus den Teilmessungen werden in ein Histogramm sortiert, mit welchem nach mehreren (typischerweise 10...500) Wiederholungen mithilfe geeigneter Signalverarbeitung (z.B. Maximumsuche, Schwerpunkt- berechnung, Optimalfilter (engl, matched Filter, usw.) die Position des empfangenen Pulses und somit die Flugzeit bzw. der Abstand zum Objekt ermittelt wird.

Eine Besonderheit des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, dass die Teilmessungen nicht mit einer festen, sondern mit einer variablen (z.B. mittels pseudo-noise modulierten) Frequenz wiederholt werden. Zeitpunkte der Pulsemissionen sind dem Sensor jedoch stets bekannt, wodurch für die Messung weiterhin eine feste Zeitbasis gewährleistet ist, wohingegen die Zeitbasis zwischen dem Sensor und weiteren störenden optischen Systemen aufgelöst und damit ein Störeffekt eliminiert wird.

Dies führt vorteilhaft dazu, dass Lichtpulse, die von einem störenden Sensor versendet werden, in jeder Teilmessung an einer anderen Stelle im Histogramm einsortiert werden und sich somit keine Häufung ausbildet. Die eigentlichen Lichtpulse des Systems werden durch die Zeitkorrelation nach wie vor für jede

Teilmessung an der gleichen Stelle im Histogramm kumuliert, so dass die Messfähigkeit des Sensors unbeeinflusst ist, während die Störfestigkeit gegenüber einem gewöhnlichen gepulsten Lidar-Sensor erhöht wird. Fig. 1 zeigt beispielhaft die Pulsfolge eines herkömmlichen Multipuls-Lidar-

Sensors mit einer festen Pulswiederholrate tR. Die emittierten Messpulse werden nach einer Flugzeit tr detektiert und entsprechend in ein im unteren Abschnitt der Fig. 1 dargestelltes Histogramm einsortiert. Nach mehreren Wiederholungen ist im Histogramm eine Häufung von Detektionen zu erkennen, welche dem zu messenden Zielabstand entsprechen. Ferner sind zufällig verteilte Fehldetek- tionen aufgrund von Hintergrundlicht oder sonstigem Rauschen zu erwarten. Fig. 2 zeigt einen nachteiligen Effekt der Konfiguration von Fig. 1 , wobei ein weiterer störender Lidar-Sensor im Messszenario vorhanden ist. Aufgrund der festen Pulswiederholrate beider Lidar-Sensoren werden die störenden Lichtpulse Est des zweiten Lidar-Sensors stets an derselben Stelle im Histogramm kumu- liert, weshalb die nachfolgende Signalverarbeitung an dieser Stelle ein Scheinziel erkennt. Es kommt somit im Histogramm aufgrund der störenden Lichtpulsen Est zu einer Objektdetektion, obwohl im Messszenario an dieser Stelle kein reales Objekt vorhanden ist. Dieses Problem kann mit steigender Anzahl von fremden Sensoren im Umfeld des eigenen Sensors signifikant größer werden.

Wird anstelle eines Einzelpulses eine codierte Sequenz von Lichtpulsen mit gleicher Energie emittiert, nimmt zwar die Störsicherheit zu, die Reichweite des Systems jedoch ab. Dies ist in Fig. 3 schematisch dargestellt, die ein aus US 2010/0045965 A1 bekanntes Sendeschema von optischen Sendesignalen mit pseudozufällig codierten Pulsketten zeigt.

Man erkennt, dass innerhalb einer Teilmessung zwar eine Zufallsfolge von Einzelpulsen ausgesandt wird, diese jedoch eine verminderte Intensität haben, weil stets eine Augensicherheit gewährleistet sein muss und dadurch eine Energie der Pulse nicht überschritten werden darf. Die gesamte optische

Sendeenergie verteilt sich somit jeweils auf sämtliche Einzelpulse innerhalb eines Teilmesszyklus tp, wodurch eine Maximalreichweite erheblich eingeschränkt sein kann. Erkennbar ist ein Messzyklus tM, der in einzelne Teilmesszyklen tp unterteilt ist.

Erkennbar ist, dass in den einzelnen Teilmesszyklen tp ein Raster der Messpulse identisch ist, wobei Startzeiten der Messpulse jeweils gleich sind. Dies ist für den ersten Puls mit der Startzeit ti , t2 und t3 angedeutet, die jeweils identisch sind. Somit teilt sich die gesamte Sendeenergie innerhalb eines Teilmesszyklus tp auf mehrere Pulse auf, deren Höhe mit„1 " angedeutet ist.

Fig. 3 zeigt eine herkömmliche Abfolge von Pulssequenzen, die in mehreren Teilmessungen durchgeführt werden. Dabei umfasst eine Gesamtmessdauer TM eine definierte Anzahl von Einzelmesszyklen tp. Man erkennt in Fig. 3, dass innerhalb der Teilmessungen jeweils fünf Pulse gesendet werden, die jeweils das gleiche Zeitschema aufweisen. Bei einer erneuten Gesamtmessung kann die Abfolge der Pulse in den Teilmesszyklen tp wiederum variiert werden.

Fig. 4 zeigt eine prinzipielle Wirkungsweise einer Ausführungsform des vorge- schlagenen Verfahrens.

Dabei ist vorgesehen, dass der Lidar-Sensor mit einer variablen Pulswiederholfrequenz arbeitet. Dadurch, dass die Messung des Sensors nun in Relation zu einem Beginn eines Teilmesszyklus tp zu unterschiedlichen Zeitpunkten gestartet wird, verteilt sich der im festen Raster empfangene Störmesspuls Est im Histogramm in unterschiedliche Zeitschlitze, wodurch es nun vorteilhaft zu keiner Häufung kommt. Da dem Sensor die Startzeitpunkte der jeweiligen eigenen Messungen aber stets bekannt sind, besteht für die eigenen Messpulse weiterhin die Zeitkorrelation. Für das zu messende Ziel ist also weiterhin eine Häufung im Histogramm gegeben, weshalb eine korrekte Objektdetektion bei gleichzeitiger

Störunterdrückung möglich ist.

In Fig. 5 ist erkennbar, dass das vorgeschlagene Verfahren vorsieht, dass in den einzelnen Teilmesszyklen tp jeweils nur ein einziger Puls gesendet wird, dieser jedoch mit maximal möglicher Energie. Es ist erkennbar, dass die Einzelpulse ungefähr die fünffachen Amplituden aufweisen wie jene der Einzelpulse in den konventionellen Teilmesszyklen tp gemäß Fig. 3.

Dadurch ist ermöglicht, dass eine maximale Reichweite pro Puls erreichbar ist und es zu keinen Störungen mit anderen Sensoren kommen kann. Innerhalb der einzelnen Teilmessungen variiert der Beginn des Pulses nach mathematischen Prinzipien, was durch drei verschiedene Versatzzeiten ti, t ₂ , t3 ab Beginn des jeweiligen Teilmesszyklus tp angedeutet ist. Die genannten Versatzzeiten ti, t ₂ , t3 sind jeweils auch dem Detektor bekannt, sodass nunmehr kein störender Einfluss von schädlichen gegnerischen Lidar-Sensoren auftreten kann, weil sich Scheinziele nicht in einem Histogramm aufaddieren können. Im Ergebnis wird dadurch eine zufällige Modulation der Pulsbeginnzeiten innerhalb der Teilmesszyklen tp realisiert. lm Mittel ist eine Pulswiederholfrequenz dabei vorzugsweise konstant, wobei für Entfernungsmessungen im Automotive-Bereich mit ca. 200 m Reichweite eine Pulswiederholfrequenz von ca. 700 kHz bis ca. 800 kHz eingestellt wird. Fig. 6 zeigt ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform der

Vorrichtung 100 zur Entfernungsmessung von Objekten. Die Vorrichtung 100 umfasst ein Steuerungselement 10 (engl, time-of-flight-controller), welches ein Treiberelement 20 für ein Strahlungselement 30 (z.B. Lichtquelle im sichtbaren Bereich, Laser, insbesondere in Form eines Festkörperlasers, einer Laserdiode, z.B. einer Nah-IR-Laserdiode) ansteuert. Das Strahlungselement 30 emittiert ein optisches Sendesignal S in Form von optischen Pulsen durch eine Sendelinse 40 auf ein Objekt 200. Vorgesehen ist eine Zufallsgeneratoreinrichtung 80, die die Versatzzeiten ti ... t _n der Sendepulse innerhalb der Teilmesszyklen tp pseudozufällig oder nach einem anderen geeigneten Zufallsprinzip ermittelt und bereitstellt.

Über einen Referenzdetektor 50, der üblicherweise über einen parasitären Reflexionspfad innerhalb der Vorrichtung realisiert ist, wird ein Teil des Sendesignals S an das Steuerungselement 10 geführt, sodass die Steuerungs- einrichtung 10 stets über die Versatzzeiten ti ...t _n informiert ist. Das optische

Empfangssignal E wird über eine Empfangslinse 60 einem Detektorelement 70 zugeführt, wobei das Detektorelement 70 funktional mit dem Steuerungselement 10 verbunden ist. Eine abschließende Signalverarbeitung wird mittels einer mit dem Steuerungselement 10 funktional verbundenen Signalverarbeitungsein- richtung 90 durchgeführt, die vorzugsweise als ein Optimalfilter, eine Maximalsucheinrichtung oder eine Schwerpunktberechnungseinrichtung oder ein sonstiges geeignetes Element ist.

Fig. 7 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des vorgeschlag- enen Verfahrens zum Betreiben einer Vorrichtung 100 zur Entfernungsmessung.

In einem Schritt 200 wird ein gepulstes Ansteuern einer optischen Sendeeinrichtung mittels einer Zufallsgeneratoreinrichtung durchgeführt, wobei die optische Sendeeinrichtung derart angesteuert wird, dass mittels der optischen Sendeeinrichtung pro Teilmesszyklus ein pulsförmiges optisches Sendesignal emittiert wird, wobei in jedem Teilmesszyklus eine Startzeit des optischen Sendesignals geändert wird.

In einem Schritt 210 wird ein Empfangen eines optischen Empfangssignals mittels einer optischen Empfangseinrichtung durchgeführt.

In einem Schritt 220 wird ein Verarbeiten des optischen Empfangssignals mittels einer Signalverarbeitungseinrichtung durchgeführt, wobei aus einer Laufzeit der Signale eine Entfernung zum Objekt ermittelt wird.

Vorteilhaft lässt sich das vorgeschlagene Verfahren als eine Software

implementieren, die auf dem Steuerungselement 10 der Vorrichtung zur

Entfernungsmessung abläuft, wodurch eine einfache Adaptierbarkeit des Verfahrens unterstützt ist.

Obwohl die Erfindung vorgehend hauptsächlich anhand einer als Lidar-Sensor ausgebildeten Vorrichtung zur Entfernungsmessung erläutert wurde, versteht es sich von selbst, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht an einen spezifischen Typ von optischem Strahlungselement gebunden ist und dass das vorgeschlagene Verfahren eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Entfernungsmessung in Form von gepulst betriebenen Direct-Time-of-Flight-Sensoren nutzen können.

Der Fachmann erkennt also, dass eine Vielzahl von Abwandlungen der Erfindung möglich ist, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.