Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten eines Raumwinkels

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtasten eines Abtastwinkels sowie eine LI DAR- Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastwinkels.

Stand der Technik

Konventionelle LI DAR (Light Detektion And Ranging)-Vorrichtungen sind gepulste direct Time-of-Flight Systeme, welche die Zeit zwischen einer Emission und eines Empfangs eines kurzen, energiereichen Strahlenpulses bzw.

Laserpulses messen. Über die Zeit bzw. Flugzeit des Strahls kann anschließend durch Kenntnis der Lichtgeschwindigkeit ein Abstand zwischen einem Objekt und der LI DAR- Vorrichtung ermittelt werden. Als Detektoren zum Empfangen von reflektierten Strahlen kommen üblicherweise Avalanche Photodioden oder Single Photon Avalanche-Dioden zum Einsatz. Um möglichst große Reichweiten von 100 - 200m bei gleichzeitig schlechter Reflektivität eines Objektes von unter 10% abzutasten bzw. zu vermessen, können die notwendigen Laserpulse im Rahmen der Augensicherheitsrichtlinie je nach Systemkonfiguration

Spitzenleistungen im Kilowattbereich erreichen. Aufgrund des begrenzten Dynamikbereichs der üblichen Detektoren kommt es bei Reflektionen der Strahlen an näheren Objekten schnell zu einer Sättigung der Detektoren.

Hierdurch kann die Form des Empfangspulses verfälscht werden. Folglich kann die Ermittlung weiterer Messgrößen auf Basis der Pulsform wie beispielsweise Intensität, Reflektivität, Wetterbedingungen, Winkel des Zielobjektes zur LIDAR- Vorrichtung erschwert oder verhindert werden.

Offenbarung der Erfindung Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine LIDAR-Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, die trotz hoher Reichweise auch Objekte in einem Nahbereich ohne Übersättigung eines Detektors registrieren können.

Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Abtasten eines Abtastwinkels bereitgestellt, bei dem mindestens ein elektromagnetischer Strahl erzeugt wird und der mindestens eine elektromagnetische Strahl entlang des Abtastwinkels abgelenkt wird. Der mindestens eine an einem Objekt reflektierte elektromagnetische Strahl wird empfangen und detektiert, wobei nach mindestens einem ersten elektromagnetischen Strahl mindestens ein zweiter elektromagnetischer Strahl erzeugt wird und wobei der zweite

elektromagnetische Strahl mit einer geringeren Energie als der erste

elektromagnetische Strahl erzeugt wird.

Hierdurch wird mindestens ein erster elektromagnetischer Strahl erzeugt und kurze Zeit später mindestens ein zweiter schwächerer elektromagnetischer Strahl. Schwächer bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Intensität und ein Energiegehalt des mindestens einen zweiten elektromagnetischen Strahls geringer sind als die Intensität und der Energiegehalt des mindestens einen ersten elektromagnetischen Strahls. Vorzugsweise werden die sonst üblichen bzw. möglichen 100% an Energie eines elektromagnetischen Strahls nun zwischen dem mindestens einem ersten Strahl und dem mindestens einem zweiten Strahl aufgeteilt. Der mindestens eine erste Strahl kann beispielsweise 80-90% der Energie aufweisen, um eine Maximalreichweite einer LI DAR-

Vorrichtung nicht zu gravierend einzuschränken und um sicherzustellen kein Objekt zu übersehen. Der mindestens eine zweite Strahl kann hingegen 10-20% der Energie aufweisen. Hierdurch können auch Objekte mithilfe des

mindestens einen zweiten Strahls mit höherer Linearität detektiert werden. Derartige Objekte können beispielsweise Objekte sein, die in einer kurzen Entfernung zur LIDAR-Vorrichtung positioniert sind und/oder hohe Reflektivität aufweisen. Diese Objekte würden bei einem Detektieren des mindestens einen ersten und energiereichen Strahls eine Sättigung des Detektors verursachen. Nach einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die Energie des mindestens einen zweiten elektromagnetischen Strahls unterhalb einer Sättigung mindestens eines Detektors gewählt wird. Hierdurch kann verhindert werden, dass der mindestens eine zweite Strahl eine Sättigung des Detektors

verursachen kann. Da bei dem mindestens einen ersten energiereichen Strahl die Gefahr einer Sättigung des Detektors insbesondere bei nahen Objekten hoch ist, kann durch den mindestens einen zweiten Strahl dennoch eine

aussagekräftige Messung des Abtastbereiches sichergestellt werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der mindestens eine elektromagnetische Strahl gepulst erzeugt. Hierdurch kann je nach Pulsdauer eine hohe Intensität bei gleichbleibendem Energiegehalt realisiert werden. So können auch mehrere gepulste Strahlen innerhalb einer kurzen Zeitspanne erzeugt werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung wird zwischen dem

Erzeugen des mindestens einen ersten elektromagnetischen Strahls und dem Erzeugen des mindestens einen zweiten elektromagnetischen Strahls eine Verzögerungszeit initiiert. Hierdurch kann der mindestens eine zweite Strahl verzögert erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere zweite Strahlen mit einer zweiten Verzögerungszeit zwischen den mehreren zweiten Strahlen erzeugt werden. Die zweite Verzögerungszeit kann

beispielsweise kleiner ausgeführt sein als die erste Verzögerungszeit zwischen dem mindestens einem ersten Strahl und dem mindestens einem zweiten Strahl. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Intensitätsverhältnis des mindestens einen ersten elektromagnetischen Strahls und des mindestens einen zweiten elektromagnetischen Strahls variiert. Hierdurch können die erzeugten Strahlen an eine Situation flexibel und in situ angepasst werden. Beispielsweise kann bei einer automobilen Anwendung in einer stark frequentierten Umgebung ein geringes Intensitätsverhältnis verwendet werden, sodass ein Nahbereich effektiver abgetastet werden kann. Auf einer Autobahn könnte hingegen ein möglichst großes Intensitätsverhältnis der beiden Strahlen eingestellt werden, sodass eine entsprechende LIDAR-Vorrichtung eine möglichst hohe Reichweite aufweist und dadurch auch bei höheren Geschwindigkeiten eingesetzt werden kann.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die

Verzögerungszeit zwischen dem mindestens einem ersten elektromagnetischen Strahl und dem mindestens einem zweiten elektromagnetischen Strahl variiert. Hierbei kann die Verzögerungszeit insbesondere an eine Entfernung des Objektes zu der LIDAR-Vorrichtung bzw. mindestens einen Strahlenquelle zum Erzeugen mindestens eines Strahls angepasst werden. Mit steigender

Entfernung benötigt ein erzeugter Strahl mehr Zeit zum Zurücklegen der Entfernung zum Objekt und zurück zu dem Detektor. Somit kann die

Verzögerungszeit derart angepasst werden, dass mindestens ein reflektierter Strahl von dem mindestens einen Detektor innerhalb einer definierten Zeitspanne bzw. innerhalb eines definierten Messzyklus detektiert werden kann.

Vorteilhafterweise kann die Verzögerungszeit derart gewählt werden, dass mindestens ein empfangener reflektierter Strahl sich zeitlich nicht mit einem erzeugten Strahl überlagern kann.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Verzögerungszeit größer als eine Erholungszeit eines Detektors gewählt. Da insbesondere bei einem

Abtastvorgang von Objekten in einer kurzen Entfernung und/oder hoher

Reflektivität ein reflektierter Strahl des mindestens einen ersten energiereichen Strahls eine Sättigung des Detektors verursachen kann, benötigt der mindestens eine Detektor eine Zeitspanne um erneut für den mindestens einen zweiten Strahl empfangsbereit zu sein. Alternativ kann ein Detektor gewählt werden, der keine Erholungszeit benötigt.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem Aspekt der Erfindung bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen mindestens eines elektromagnetischen Strahls, eine Ablenkeinheit zum Ablenken des mindestens einen erzeugten elektromagnetischen Strahls entlang eines Abtastwinkels und mindestens einen Detektor zum Empfangen und Detektieren mindestens eines an einem Objekt reflektierten elektromagnetischen Strahls, wobei die mindestens eine Strahlenquelle mindestens einen ersten

elektromagnetischen Strahl und mindestens einen zweiten elektromagnetischen Strahl erzeugt und wobei der zweite elektromagnetische Strahl eine geringere

Energie aufweist als der erste elektromagnetische Strahl.

Durch das Erzeugen mindestens einen zweiten schwächeren Strahls kurz nach dem mindestens einen energiereichen ersten Strahl kann ein Arbeitsbereich der LIDAR-Vorrichtung erweitert werden. Ein an einem Objekt reflektierter energiereicher Strahl kann bei einem Objekt, der eine geringe Entfernung zu der LIDAR-Vorrichtung aufweist eine Sättigung des mindestens einen Detektors verursachen. Energiereiche Strahlen, die an Objekten mit einer hohen

Reflektivität reflektiert werden, können ebenfalls den Dynamikbereich des Detektors übersteigen. Wenn der Detektor eine Sättigung erfährt, kann eine weitere Auswertung des mindestens einen empfangenen Strahls erschwert oder verhindert werden. Insbesondere kann eine Auswertung weiterer Messgrößen basierend auf einer Pulsform des Strahls, wie beispielsweise Intensität,

Reflektivität, Wetterbedingungen, Winkel des Zielobjektes zur LIDAR-Vorrichtung und dergleichen durch die Sättigung des Detektors nicht mehr möglich sein. Hierdurch wird sichergestellt, das auch bei Verwendung eines energiereichen Strahls, der auf eine möglichst große Reichweite ausgelegt ist, problematische Objekte ebenfalls mit einer hohen Linearität detektiert werden können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist zwischen dem mindestens einen ersten erzeugten Strahl und dem mindestens einen zweiten erzeugten Strahl eine variierbare Verzögerungszeit implementiert. Je nach Detektor muss eine

Erholungszeit nach der Sättigung berücksichtigt werden. So kann durch die Verzögerungszeit sichergestellt werden, dass der mindestens eine zweite Strahl von dem Detektor regulär detektiert werden kann. Hierdurch können negative

Effekte eines gesättigten Detektors umgangen werden. Da die mindestens zwei Strahlen die gleiche Zeitbasis haben und in dasselbe Histogramm sortiert werden können, wird in der LIDAR-Vorrichtung kein zusätzlicher Speicher benötigt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Intensitätsverhältnis zwischen dem mindestens einen ersten elektromagnetischen Strahl und dem mindestens einen zweiten elektromagnetischen Strahl variierbar. Abhängig von einer Anwendungsumgebung der LIDAR-Vorrichtung kann das

Intensitätsverhältnis zwischen dem mindestens einen ersten Strahl und dem mindestens einem zweiten Strahl festgelegt werden. Das Intensitätsverhältnis kann beispielsweise 90% zu 10%, 80% zu 20%, 50% zu 50% und dergleichen sein. Insbesondere bei Anwendungen, die eine hohe Reichweite benötigen kann auf den mindestens einen ersten Strahl ein möglichst großer Prozentsatz an Energie aufgewendet werden. Des Weiteren kann zusätzlich zu der Wahl der Verzögerungszeit das Intensitätsverhältnis abhängig von einem zu

detektierenden Nahbereich wie beispielsweise unterhalb von 50m gewählt werden. Nach jedem Messzyklus, der aus mindestens zwei durch die

Verzögerungszeit voneinander getrennt erzeugte und wieder empfangene Strahlen besteht kann die Verzögerungszeit und/oder das Intensitätsverhältnis verändert werden.

Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen

Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2a eine schematische Abfolge erzeugter Strahlen nach einem Verfahren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2b ein schematisches Intensitätsspektrum detektierter Strahlen nach einem

Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 3a, 3b eine schematische Abfolge von erzeugten und empfangenen Strahlen nach einem Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 4a eine schematische Abfolge erzeugter Strahlen nach einem Verfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und

Fig. 4b, 4c eine schematische Abfolge von erzeugten und empfangenen Strahlen nach einem Verfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer LIDAR-Vorrichtung 1. Die LIDAR-Vorrichtung 1 weist eine Strahlenquelle 2 zum Erzeugen mindestens eines elektromagnetischen Strahls 4 auf. Die Strahlenquelle 2 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel ein Laser 2, der Strahlen 4 in einer Pulsform erzeugt.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel dient der Laser 2 zum Erzeugen eines Strahls 4 mit einer Wellenlänge im nicht sichtbaren Infrarotbereich. Die Wellenlänge kann beispielsweise größer als 800nm sein. Der von dem Laser 2 erzeugte Strahl 4 wird von einer Ablenkeinheit 6 bzw. einem drehbaren Spiegel 6 abgelenkt. Der Spiegel 6 ist hierbei entlang einer Rotationsachse R schwenkbar. Somit kann der Spiegel 6 den erzeugten Strahl 4 entlang eines definierten Abtastwinkels H ablenken. Zusätzlich ist der Spiegel 6 orthogonal zum horizontalen Abtastwinkel H schwenkbar und deckt somit einen vertikalen Abtastwinkel V ab. Hierdurch kann die LIDAR-Vorrichtung 1 einen Raumwinkel W=VxH abtasten und mögliche sich in diesem Raumwinkel W positionierte Objekte 8, 9 orten. Der mindestens eine erzeugte Strahl 4 wird von dem Objekt 8, 9 zumindest teilweise reflektiert und wird zum reflektierten bzw. ankommenden Strahl 10, 30. Der reflektierte Strahl 10, 30 wird von einer Empfangsoptik 12 empfangen und auf einen Detektor 14 geleitet. Der Detektor 14 besteht aus einer Vielzahl an Detektorzellen 16, die gemäß dem Ausführungsbeispiel Single Photon Avalanche-Dioden sind.

In der Figur 2a ist eine schematische Abfolge erzeugter Strahlen 4, 5 nach einem Verfahren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Insbesondere ist eine Intensität I von einem ersten erzeugten Strahl 4 und einem zweiten erzeugten Strahl 5 gegen eine Zeit t veranschaulicht. Die erzeugten Strahlen 4, 5 sind pulsförmig erzeugt und bilden einen Messzyklus 18. Im Messzyklus 18 sind die erzeugten Strahlen 4, 5 durch eine Verzögerungszeit 20 voneinander zeitlich beabstandet. Zwischen dem zweiten erzeugten Strahl 5 und einem nächsten Messzyklus 18 ist ebenfalls eine zweite Unterbrechungszeit 22 vorhanden, die zum ersten Messzyklus 18 gehört. Durch die zweite Unterbrechungszeit 22 kann eine Abklingphase der Strahlenquelle 2 realisiert werden. Des Weiteren kann durch die Unterbrechungszeit 22 der gesamte über den Messzyklus 18 abgegebene Energiegehalt pro Zeiteinheit t gesteuert werden.

Die Figur 2b zeigt ein schematisches Intensitätsspektrum detektierter Strahlen 10, 11 nach dem Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Hierbei ist insbesondere die von einer Detektorzelle 16 zeitlich aufgezeichnete

Intensitätsverteilung veranschaulicht. Der dargestellte zeitliche Ausschnitt entspricht einem ersten zeitlichen Bereich aus dem Messzyklus 18. Der erste detektierte Strahl 10 weist eine derart hohe Intensität I auf, dass die Detektorzelle 16 einen Sättigungszustand 24 erreicht und sozusagen überbelichtet wird. Nach einer kurzen Zeitspanne wird der zweite Strahl 11 detektiert. Der zweite Strahl 1 1 wurde mit einem geringeren Energiegehalt erzeugt und weist nach dem

Reflektieren an dem Objekt 8 eine Intensität I auf, die unterhalb des

Sättigungszustandes 24 der Detektorzelle 16 liegt.

Die Figuren 3a und 3b zeigen schematische zeitliche Abfolgen von reflektierten bzw. detektierten Strahlen 10, 1 1 , 30, 31 die durch mindestens eine Detektorzelle 16 des Detektors 14 innerhalb eines zeitlichen Rahmens t aufgezeichnet wurde. Hierbei wurde der bereits in Figur 2a beschriebene Messzyklus 18 verwendet um zwei Objekte 8, 9 zu detektieren. Die von einem ersten Objekt 8 reflektierten Strahlen 10, 11 und die von einem zweiten Objekt 9 reflektieren Strahlen 30, 31 sind hier innerhalb desselben zeitlichen Intensitätsverlaufs I aufgezeichnet worden. Somit ist für die Auswertung der detektierten Strahlen 10, 1 1 , 30, 31 kein separater Zeitstrang notwendig. So kann ein Auswerteprozess beschleunigt werden. Figur 3b zeigt beispielsweise, dass sich die detektierten Strahlen 10, 11 , 30, 31 zweier unterschiedlicher Objekte 8, 9 überdecken können. Insbesondere ist dies der Fall, wenn ein Abstand zwischen beiden Objekten 8, 9 vorhanden ist, der einer Flugdauer der erzeugten Strahlen 4, 5 entsprechen der

Verzögerungszeit 20 vorhanden ist. Somit kann gemäß dem Verfahren in einem nächsten oder einem übernächsten Messzyklus 18 die Verzögerungszeit 20 variiert werden, um eine eindeutige zeitliche Unterscheidung der Intensitäten I der detektierten Strahlen 10, 1 1 des ersten Objektes 8 und der detektierten Strahlen 30, 31 des zweiten Objektes 9 zu ermöglichen. In der Figur 4a ist eine schematische Abfolge erzeugter Strahlen 4, 5 nach dem Verfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Strahlenquelle 2 erzeugt gemäß dem Ausführungsbeispiel einen ersten energiereichen Strahl 4 in der Form eines Pulses und zwei weitere zweite energieschwächere Strahlen 5. Zwischen dem ersten erzeugten Strahl 4 und den zwei zweiten erzeugten

Strahlen 5 ist ebenfalls eine Verzögerungszeit 20 vorhanden. Die

Verzögerungszeit kann auch hier variabel je nach Messzyklus 18 ausgeführt sein und an eine Art oder Entfernung des Objektes 8, 9 oder an eine Anzahl an erwarteten Objekten 8, 9 angepasst werden. Nach dem Erzeugen der beiden zweiten energieschwächeren Strahlen 5 werden für eine zweite

Verzögerungszeit 22 bzw. Unterbrechungszeit 22 keine weiteren Strahlen 4, 5 erzeugt. Vielmehr kann die Unterbrechungszeit 22 als Abklingphase der

Strahlenquelle 2 verwendet werden. Je nach Dauer der jeweiligen Strahlen 4, 5 können die Verzögerungszeit 20 und die Unterbrechungszeit 22 an einen definierten Messzyklus 18 angepasst werden. Hierdurch kann auch der von den erzeugten Strahlen 4, 5 abgegebene Energiegehalt pro Zeiteinheit t angepasst werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel weisen der erste erzeugte Strahl 70% des Energiegehalts im Messzyklus 18 und die beiden zweiten erzeugten Strahlen 5 jeweils 15% des Energiegehalts auf.

In der Figur 4b ist der in Figur 4a beschriebene Messzyklus 18 mit den von mindestens einer Detektorzelle 16 des Detektors 14 empfangene bzw.

detektierten Strahlen 10, 1 1 des ersten Objektes 8 und den detektierten Strahlen 30, 31 des zweiten Objektes 9 dargestellt. Die Verzögerungszeit 20 ist derart an die Entfernungen der Objekte 8, 9 eingestellt, dass die innerhalb einer Zeitachse t aufgezeichneten Pulse der Strahlen 10, 1 1 , 30, 31 sich nicht überlappen oder überlagern. So kann jeder einzelne Puls der Strahlen 10, 1 1 , 30, 31 eindeutig identifiziert und ausgewertet werden. Die Figur 4c zeigt beispielsweise analog zu Figur 4b detektierte Strahlen 10, 1 1 , 30, 31 von zwei Objekten 8, 9 die eine Entfernung zu einander aufweisen die durch die Strahlen 10, 1 1 , 30, 31 innerhalb einer Flugzeit in der Größenordnung der Verzögerung 20 zurückgelegt werden kann. Hierdurch weisen die detektierten Strahlen 10, 1 1 , 30, 31 beider Objekte 8, 9 bereichsweise Überlagerungen oder Überlappungen auf. Somit kann eine Auswertung der detektierten Strahlenl O, 1 1 , 30, 31 lediglich unvollständig erfolgen. Um dies zu vermeiden, kann über mehrere Messzyklen 18 hinweg die Verzögerungszeit 20 definiert und kontinuierlich verändert werden, sodass sich eine Überlagerung von mehreren detektierten Strahlen 10, 1 1 , 30, 31 erkennbar wird oder die detektierten Strahlen 10, 1 1 , 30, 31 sich nicht mehr überlagern. Alternativ kann beispielsweise jeder zweite Messzyklus 18 in einer separaten Zeitachse aufgezeichnet werden, sodass eine Überlagerung von detektierten

Strahlenl O, 1 1 , 30, 31 unterbunden werden kann.