Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung von Sensorelementen eines Ll- DAR Messsystems.

In der WO 2017 081 294 ist ein LIDAR Messsystem beschrieben. Dieses ist statisch ausgebildet und umfasst eine Sendeeinheit mit einer Mehrzahl an Emitterelementen und eine Empfangseinheit mit einer Mehrzahl an Sensorelementen. Die Emitterele mente und die Sensorelementen sind in einer Focal Plane Array Konfiguration aus gebildet und in einem Brennpunkt einer jeweiligen Sendeoptik und Empfangsoptik angeordnet. Bezüglich der Empfangseinheit und der Sendeeinheit sind ein Sensorel ement und ein korrespondierendes Emitterelement einem bestimmten Raumwinkel zugeordnet. Das Sensorelement ist somit einem bestimmten Emitterelement zuge ordnet.

Es ist Aufgabe ein Verfahren bereitzustellen, bei dem eine Detektion von hochreflek- tiven Objekten, die sich außerhalb der festgelegten Messreichweite aufhalten, zu verhindern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß dem geltenden Patentan spruch 1. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausführungsvarian ten des Verfahrens beschrieben.

Ein solches Verfahren ist insbesondere für LIDAR Messsysteme geeignet, die nach dem TCSPC Verfahren, Time Correlated Single Photon Counting, arbeiten. Dieses TCSPC wird im Weiteren und insbesondere in der Figurenbeschreibung ausführlicher erläutert. Insbesondere ist das Verfahren für LIDAR Messsysteme gedacht, die in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen.

Ein hierfür geeignetes LIDAR Messsystem weist Sensorelemente und Emitterele mente auf. Ein Emitterelement sendet Laserlicht aus und ist beispielsweise durch ein VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser, ausgebildet. Das ausgesendete La serlicht kann von dem Sensorelement detektiert werden, welches beispielsweise durch eine SPAD, Single Photon Avalanche Diode, ausgebildet ist. Der Abstand des Objekts von dem LI DAR Messsystem wird aus der Laufzeit des Laserlichts bzw. des Laserpulses bestimmt.

Die Emitterelemente sind vorzugsweise an einem Sendechip einer Sendeeinheit ausgebildet. Die Sensorelemente sind vorzugsweise an einem Empfangschip einer Empfangseinheit ausgebildet. Der Sendeeinheit und der Empfangseinheit ist ent sprechend eine Sendeoptik bzw. eine Empfangsoptik zugewiesen. Das von einem Emitterelement ausgesendete Licht, wird durch die Sendeoptik einem Raumwinkel zugeordnet. Ebenso betrachtet ein Sensorelement über die Empfangsoptik immer denselben Raumwinkel. Dementsprechend ist ein Sensorelement einem Emitterele ment zugewiesen bzw. beide sind demselben Raumwinkel zugewiesen. Das ausge sendete Laserlicht trifft nach einer Reflektion im Fernfeld dementsprechend immer auf dasselbe Sensorelement.

Die Sensorelemente und Emitterelemente sind vorteilhafterweise in einer Focal Pla ne Array Konfiguration, FPA, ausgeführt. Hierbei sind die Elemente einer jeweiligen Einheit in einer Ebene angeordnet, beispielsweise die Sensorelemente auf einer Ebene des Sensorchips. Diese Ebene ist in der Brennebene der jeweiligen Optik an geordnet bzw. sind die Elemente im Brennpunkt der jeweiligen Optik angeordnet.

Die FPA Konfiguration ermöglicht eine statische Ausbildung des LI DAR Messsys tems und derer Sendeeinheit und Empfangseinheit, sodass dieses keine bewegli chen Teile umfasst. Insbesondere ist das LI DAR Messsystem statisch an einem Kraftfahrzeug angeordnet.

Einem Emitterelement ist günstigerweise eine Mehrzahl an Sensorelementen zuge wiesen, die gemeinsam eine Makrozelle aus mehreren Sensorelementen bilden. Die se Makrozelle bzw. alle Sensorelemente der Makrozelle sind einem Emitterelement zugeordnet. Dadurch können Abbildungseffekte oder Abbildungsfehler ausgeglichen werden, wie beispielsweise der Parallaxeeffekt oder Fehlabbildungen der Linse. An dem LI DAR Messsystem werden Messungen ausgeführt, um Objekte zu erken nen und deren Abstand bestimmen zu können. Für jede Emitterelement- Sensorelement-Paarung wird ein Messvorgang durchgeführt.

Ein Messvorgang umfasst eine Mehrzahl an Messzyklen. Bei einem Messzyklus wird durch das Emitterelement ein Laserpuls ausgesendet, der nach einer Reflektion an einem Objekt wieder durch ein oder mehrere Sensorelemente detektiert werden kann. Die Messdauer ist dabei zumindest so lang, dass der Laserpuls bis zur maxi malen Reichenweite des Messsystems und zurück bewegen kann.

Bei einem solchen Messzyklus werden beispielsweise verschiedene Messbereiche durchlaufen. Dafür können beispielsweise Sensorelemente oder Sensorgruppen zu verschiedenen Zeitpunkten aktiviert und deaktiviert werden, um eine optimale Detek tion zu erreichen. Die Messzyklen des Messvorgangs müssen dabei nicht identisch in deren Ablauf sein. Insbesondere können die verschiedenen Zeitpunkte, bei denen Sensorelemente oder Sensorgruppen aktiviert und deaktiviert werden, von Messzyk lus zu Messzyklus einen gewissen zeitlichen Versatz erfahren. Die Messzyklen sind somit vorzugsweise wesensgleich und somit nicht zwingend identisch zueinander.

Ein Histogramm ist das Ergebnis eines Messvorgangs. Ein Messzyklus weist zumin dest die Zeitdauer auf, die das Laserlicht benötigt, um bis zu einem Objekt bei maxi maler Messdistanz hin und zurück zu gelangen. Das Histogramm unterteilt die Mess dauer eines Messzyklus in Zeitabschnitte, die auch Bin genannt werden. Ein Bin ent spricht einer gewissen Zeitdauer der gesamten Messdauer.

Wird ein Sensorelement durch ein eintreffendes Photon ausgelöst, so wird das Bin, welches der zugehörigen Laufzeit ausgehende von der Emission des Laserpulses entspricht, um den Wert 1 erhöht. Das Sensorelement oder die Sensorgruppe wird durch einen TDC, Time to Digital Converter, ausgelesen und legt die Auslösung des Sensorelements durch ein Photon in dem Histogramm ab, das beispielsweise durch ein Speicherelement oder einen Kurzzeitspeicher ausgebildet ist. Diese Detektion wird an dem Histogramm in dem Bin hinzugezählt, welches dem Zeitpunkt der Detek tion entspricht. Das Sensorelement kann lediglich ein Photon detektieren, jedoch nicht unterschei den, ob dieses von einem reflektierten Laserpuls oder einer Hintergrundstrahlung stammt. Durch die Durchführung einer Mehrzahl an Messzyklen pro Messvorgang wird das Histogramm immer weiter gefüllt, wobei das Hintergrundrauschen einen sta tistisch verteilten Rauschgrund bereitstellt, ein reflektierter Laserpuls jedoch immer zu demselben Zeitpunkt eintrifft. Ein Objekt erhebt sich in dem Histogramm somit als Peak aus dem Rauschgrund hervor und kann dadurch ausgewertet werden. Dies ist im Wesentlichen das TCSPC Verfahren. Eine Auswertung erfolgt beispielsweise über die Erkennung der ansteigenden Flanken oder lokaler Maxima.

Bei einem Messvorgang können die Messzyklen nach einem Zeitschema durchge führt, welches für alle aufeinanderfolgenden Messzyklen identisch ist. Hierbei kann es passieren, dass hochreflektives Objekt, welches sich außerhalb der maximalen Messdistanz befindet, den Laserpuls des vorangegangenen Messzyklus reflektiert und dieser von einem Sensorelement detektiert wird. Dadurch kann in dem nachfol genden Messzyklus ein Objekt detektiert werden, das sich nicht innerhalb des Mess bereichs befindet. Beispielsweise wird ein Objekt im Nahbereich detektiert, obwohl es sich tatsächlich in großer Distanz befindet.

Dementsprechend wird nach jedem Messzyklus eine Wartezeit abgewartet. Alternativ kann die Wartezeit auch als Änderung der Dauer eines Messzyklus interpretiert wer den. Diese Wartezeit ist von Messzyklus zu Messzyklus verschieden. Dadurch wird der reflektierte Laserpuls des weit entfernten hochreflektiven Objekts in dem nachfol genden Messzyklus zu einem anderen Zeitpunkt detektiert. Aufeinanderfolgende Wartezeiten müssen sich demnach in ihrer Dauer unterscheiden. Dadurch wird das hochreflektive Objekt über die Messzyklen in dem Histogramm in der Breite ver schmiert. Bei der Auswertung des Histogramms wird das weit entfernte Objekt somit nicht mehr erkannt.

Ein erster Messzyklus weist dementsprechend eine erste Wartezeit auf, wobei ein zweiter Messzyklus eine zweite Wartezeit aufweist, wobei sich die erste Wartezeit und die zweite Wartezeit voneinander unterscheiden. Vorteilhafterweise unterscheiden sich die Wartezeiten der Messzyklen des Messvor gangs zumindest soweit, dass ein hochreflektives Objekt in dem Histogramm ausrei chend verschmiert wird.

Beispielsweise ändert sich die Wartezeit nach jeden Messvorgang um einen Bin. Bei einer Anzahl von X Messungen wird das hochreflektive Objekt an dem Objekt über X Bins verteilt und quasi als Erhöhung des Rauschgrunds detektiert.

Im Weiteren werden vorteilhafte Ausführungsvarianten des Verfahrens erläutert.

Es wird vorgeschlagen, dass die Wartezeit innerhalb eins vordefinierten Zeitab schnitts liegt.

Um die Messdauer möglichst gering zu halten kann die Wartezeit bereits vorab fest gelegt werden. Dementsprechend kann die Wahl der Wartezeit nur einem Wert ent sprechend, der innerhalb des Zeitabschnitts liegt. Bei einer Anzahl von X Messzyklen kann dieser Zeitabschnitt beispielsweise X Bins breit sein.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird die Wartezeit eines Messzyklus zufäl lig gewählt.

Hierdurch kann eine statistische Komponente eingebracht werden. Durch ein lineares Ansteigen der Wartezeit kann es beispielsweise passieren, dass sich ein Objekt ge rade mit der passenden Geschwindigkeit bewegt, sodass der Schmiereffekt aufge hoben wird. Mit Vorteil wird die zufällige Wahl mit einem vordefinierten Zeitabschnitt kombiniert. Dadurch kann einerseits die statistische Komponente bei einer geringen Dauer des Messvorgangs kombiniert werden.

Günstigerweise ist eine Wartezeit, welche bei einem Messvorgang bereits verwendet wurde, für nachfolgende Messzyklen verbraucht. Jede Wartezeit ist dadurch lediglich einmal vorhanden. Bei einem vorbestimmten Zeitabschnitt wird jede Wartezeit verwendet. Der Zeitabschnitt kann jedoch auch breiter sein, sodass mehr Warteschnitte vorhanden sind, als bei einem Messvorgang benötigt. Durch die Wahl des passenden Zeitabschnitts kann der gesamte Messvor gang und dessen gesamte Messdauer so gering wie möglich gehalten werden.

Es wird weiter vorgeschlagen, dass eine Wartezeit zum mehrfachen Verbrauch vor handen sein kann.

Sofern jede Wartezeit beispielsweise doppelt vorhanden ist kann die Breite des Zeit bereichs halbiert werden. Die Verschmierung des Objekts ist weiterhin ausreichend und die Messdauer des Messvorgangs kann gering gehalten werden.

In einer weiteren Variante sind die Wartezeiten deterministisch vorgegeben.

Dies kann beispielsweise eine Auswahl von Wartezeiten für einen Messzyklus sein, wobei sich zumindest einige der Wartezeiten verschiedener Messzyklen voneinander unterscheiden. Insbesondere da die deterministische Wahl so getroffen werden, dass gerade keine Geisterobjekte detektiert werden. Diese vorgegebenen können bei spielsweise durch einen Modulo Zähler ausgewählt werden, welcher die Nummer des Messzyklus mitzählt und dadurch den entsprechenden Wert auswählt.

Beispielsweise wechseln sich kurze und lange Wartezeiten ab, wobei sich die langen und kurzen Wartezeiten ebenfalls voneinander unterscheiden.

Insbesondere können sich die Wartezeiten über den gesamten Messvorgang mehr fach wiederholen, wobei sich aufeinanderfolgende Wartezeiten vorzugsweise unter scheiden. Insbesondere können auch aufeinanderfolgende Wartezeiten identisch sein, sofern sich diese Wiederholung nur ein paar Mal auftritt.

Im Weiteren wird das Verfahren nochmals ausführlich anhand mehrerer Figuren er läutert. Es zeigen: Fig. 1 ein LI DAR Messsystem in schematischer Darstellung;

Fig. 2 eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit des LIDAR Messsystems aus Figur 1 in einer Frontansicht;

Fig. 3 einen Ablaufplan für einen Messzyklus sowie ein zugehöriges Histo gramm;

Fig. 4 eine grafische Darstellung eines Messvorgangs mit mehreren Messzyk len;

Fig. 5 eine grafische Darstellung eines weiteren Messvorgangs mit mehreren

Messzyklen.

In der Figur 1 ist der Aufbau eines LIDAR Messsystems 10 schematisch dargestellt. Ein solches Messsystem 10 ist für die Verwendung an einem Kraftfahrzeug be stimmt. Insbesondere ist das Messsystem 10 statisch an dem Kraftfahrzeug ange ordnet und zudem günstiger Weise selbst statisch ausgeführt. Dies bedeutet, dass das Messsystem 10 sowie auch seine Komponenten und Bauteile keine Relativbe wegung zueinander ausführen oder ausführen können.

Das Messsystem 10 umfasst eine LIDAR Sendeeinheit 12, eine LIDAR Empfangs einheit 14, eine Sendeoptik 16, eine Empfangsoptik 18 sowie eine Elektronik 20 auf.

Die Sendeeinheit 12 bildet einen Sendechip 22. Dieser Sendechip 22 weist eine Mehrzahl von Emitterelementen 24 auf, die für eine übersichtliche Darstellung sche matisch Quadrate dargestellt sind. Dem gegenüber ist die Empfangseinheit 14 durch einen Empfangschip 26 ausgebildet. Der Empfangschip 26 weist eine Mehrzahl an Sensorelementen 28 auf. Die Sensorelemente 28 sind schematisch durch Dreiecke dargestellt. Die tatsächliche Form von Emitterelementen 24 und Sensorelementen 28 kann sich jedoch von der schematischen Darstellung unterscheiden. Die Emitterele mente 24 sind vorzugsweise durch VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser, ausgebildet. Die Sensorelemente 28 sind vorzugsweise durch SPAD, Single Photon Avalanche Diode, ausgebildet.

Die Sendeeinheit 12 und die Empfangseinheit 14 sind in einer FPA Konfiguration, Focal Plane Array, ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Chip und die dazugehörigen Elemente auf einer Ebene, insbesondere einer flachen Ebene, angeordnet sind. Die jeweilige Ebene ist zudem in dem Brennpunkt oder der Brennebene eines Optikele ments 16, 18 angeordnet. Dementsprechend sind die Emitterelemente 24 auf einer Ebene des Sendechips 22 angeordnet und liegen an dem Messsystem 10 innerhalb der Brennebene der Sendeoptik 16. Entsprechendes gilt für die Sensorelemente 28 des Empfangschips 26 bezüglich der Empfangsoptik 18.

Der Sendeeinheit 12 ist eine Sendeoptik 16 zugewiesen, der Empfangseinheit 14 ist eine Empfangsoptik 18 zugewiesen. Ein von dem Emitterelement 24 ausgesendetes Laserlicht oder ein auf ein Sensorelement 28 eintreffendes Licht durchläuft das jewei lige Optikelement 16, 18. Die Sendeoptik 16 weist jedem Emitterelement 24 einen bestimmten Raumwinkel zu. Ebenso weist die Empfangsoptik 18 jedem Sensorele ment 28 einen bestimmten Raumwinkel zu. Da die Fig. 1 eine schematische Darstel lung zeigt, ist der Raumwinkel in der Fig. 1 nicht korrekt dargestellt. Insbesondere ist der Abstand von Messsystem zu Objekt um ein vielfaches Größer als die Abmessun gen des Messsystems selbst.

Ein von dem jeweiligen Emitterelement 24 ausgesendetes Laserlicht wird von der Sendeoptik 16 immer in denselben Raumwinkel ausgestrahlt. Auch die Sensorele mente 28 betrachten aufgrund der Empfangsoptik 18 immer denselben Raumwinkel. Dementsprechend ist ein Sensorelement 28 immer demselben Emitterelement 24 zugewiesen. Insbesondere betrachten ein Sensorelement 28 und ein Emitterelement 24 denselben Raumwinkel. Bei diesem LIDAR Messsystem 10 ist einem einzelnen Emitterelement 24 eine Mehrzahl an Sensorelementen 28 zugewiesen. Die Senso relemente 28, die einem gemeinsamen Emitterelement 24 zugewiesen sind, sind Teil einer Makrozelle 36, wobei die Makrozelle 36 dem Emitterelement 24 zugewie sen ist. Ein Emitterelement 28 emittiert zu Beginn eines Messzyklus Laserlicht 30 in Form eines Laserpulses 30. Dieser Laserpuls 30 passiert die Sendeoptik 16 und wird in dem Emitterelement 24 zugeordnetem Raumwinkel ausgesendet. Befindet sich in nerhalb dieses Raumwinkels ein Objekt 32 so wird zumindest ein Teil des Laserlichts 30 an diesem reflektiert. Der reflektierte Laserpuls 30, kommend aus dem entspre chenden Raumwinkel, wird durch die Empfangsoptik 18 auf das zugehörige Senso relement 28 oder die einer Makrozelle 36 zugehörigen Sensorelemente 28 geleitet. Die Sensorelemente 28 detektieren den eintreffenden Laserpuls 30, wobei ein Aus lösen der Sensorelemente 28 von einem TDC 38, Time to Digital Converter, ausge lesen und in ein Histogramm geschrieben wird. Mit Hilfe der Time of Flight Methode kann aus der Laufzeit des Laserpulses 30 die Entfernung des Objekts 32 zu dem Messsystem 10 bestimmt werden. Die Ermittlung Objekten 32 und deren Abständen erfolgt vorteilhafterweise mithilfe des TCSPC Verfahrens, Time Correlated Single Photon Counting. Das TCSPC Verfahren wird im Weiteren noch ausführlicher be schrieben.

Der Ablauf eines solchen Messzyklus wird durch die Elektronik 20 gesteuert, welche zumindest die Sensorelemente 28 auslesen kann. Die Elektronik 20 ist zudem über eine Verbindung 34 mit weiteren elektronischen Komponenten des Kraftfahrzeugs verbunden oder verbindbar, insbesondere zum Datenaustausch. Die Elektronik 20 ist hierbei als schematischer Baukasten dargestellt. Weitere detaillierte Erläuterungen sollen hierzu jedoch nicht gemacht werden. Es ist zu bemerken, dass die Elektronik 20 über eine Mehrzahl an Bauteilen oder Baugruppen des Messsystems 10 verstreut sein kann. Hierbei ist beispielsweise ein Teil der Elektronik 20 an der Empfangsein heit 14 ausgebildet.

In der Figur 2 sind der Sendechip 22 und der Empfangschip 26 schematisch in einer Frontansicht dargestellt. Dabei ist lediglich ein Teilausschnitt dargestellt, wobei die weitergehenden Bereiche im Wesentlichen identisch zu den dargestellten sind. Der Sendechip 22 weist die bereits beschriebenen Emitterelemente 24 auf, die in einer Spalten- und Zeilenanordnung angeordnet sind. Diese Zeilen- und Spaltenanordnung ist jedoch nur beispielhaft gewählt. Die Spalten sind mit großen römischen Ziffern versehen, die Zeilen mit großen lateinischen Buchstaben. Der Empfangschip 26 weist eine Vielzahl an Sensorelementen 28 auf. Die Anzahl der Sensorelemente 28 ist größer als die Anzahl der Emitterelemente 24. Auch die Sen sorelemente 28 sind in einer Zeilen-/ Spaltenanordnung ausgebildet. Auch diese Zei- len-/Spaltenanordnung ist lediglich beispielhaft gewählt. Die Spalten werden mit klei nen römischen Ziffern beziffert, die Zeilen mit kleinen lateinischen Buchstaben. Eine Zeile bzw. eine Spalte des Empfangschips 26 bezieht sich jedoch nicht auf die ein zelnen Sensorelemente 28, sondern auf eine Makrozelle 36, die eine Mehrzahl von Sensorelementen 28 aufweisen. Die Makrozellen 36 sind durch Strichlinien zur bes seren Darstellung voneinander abgetrennt. Die Sensorelemente 28 einer Makrozelle 36 sind alle einem einzigen Emitterelement 24 zugewiesen. Die Makrozelle i, a ist beispielsweise dem Emitterelement I, A zugewiesen. Ein von einem Sensorelement 24 ausgesendetes Laserlicht 30 bildet zumindest auf einen Teil der Sensorelemente 28 der zugehörigen Makrozelle 36 ab.

Die Sensorelemente 28 sind vorteilhafterweise einzeln oder zumindest in Gruppen aktivierbar und deaktivierbar. Dadurch können die jeweils relevanten Sensorelemen te 28 einer Makrozelle 36 aktiviert und die irrrelevanten deaktiviert werden. Dies er möglicht den Ausgleich von Abbildungsfehlern. Solche Abbildungsfehler können bei spielsweise statische Fehler sein, wie Abbildungsfehler der Optikelemente 16, 18 oder auch Parallaxenfehler, welcher im Folgenden Abschnitt beispielhaft erläutert wird.

Aufgrund der Parallaxe wird beispielsweise ein ausgesendetes Laserlicht 30 im Nahbereich, also bei geringem Abstand des Objekts 32 auf die in der Figur 2 oben angeordneten Sensorelemente 28 der Makrozelle 36 abgebildet. Befindet sich das Objekt jedoch weiter entfernt von dem Messsystem 10, so wird das reflektierte Laser licht 30 auf einen unteren Bereich der Makrozelle 36 und damit auf die unten liegen den Sensorelemente 28 treffen. Die Verschiebung des eintreffenden Laserlichts auf grund der Parallaxe ist insbesondere von der Anordnung der Einheiten und der kon struktiven Ausführung des Messsystems 10 abhängig. Die Sensorelemente 28 einer Makrozelle 36 werden sodann während eines

Messzyklus aktiviert und deaktiviert, sodass unbeleuchtete Sensorelemente deakti viert sind. Da jedes aktive Sensorelement die Umgebungsstrahlung als Rauschgrund detektiert, wird durch deaktivieren der unbeleuchteten Sensorelemente der Rausch grund einer Messung klein gehalten. Beispielhaft sind in der Figur 2 an dem Emp fangschip 26 drei Sensorgruppen eingezeichnet.

Beispielshaft sind hier die Sensorgruppen a, ß und g eingezeichnet, welche lediglich der Erläuterung des Verfahrens dienen. Grundsätzlich können die Sensorgruppen auch anders gewählt werden. Die Sensorgruppe a umfasst ein einziges Sensorele ment 28, mit dem ein Nahbereich zu Beginn des Messzyklus detektiert werden soll. Die Sensorgruppe ß umfasst eine Mehrzahl an Sensorelementen 28, die bei einer mittleren Messdistanz aktiv sind. Die Sensorgruppe g umfasst einige Sensorelemen ten 28, die in einem Fernbereich aktiv sind. Die Anzahl der Sensorelemente 28 der Sensorgruppe ß ist am größten, gefolgt von der Sensorgruppe g.

Die Auswahl der Sensorelemente 28 für die Sensorgruppen a, ß und g ist lediglich beispielhaft gewählt und kann sich bei einem Anwendungsfall auch von den darge stellten unterscheiden, ebenso wie die Ausführung der Sensorelemente 28 und die Anordnung gegenüber den Emitterelementen 24.

Im Nahbereich ist im Normalfall nur eine kleine Anzahl von Sensorelementen 28 ak tiv. Beispielsweise können diese Sensorelemente 28 sich auch konstruktiv von den anderen Sensorelementen 28 unterscheiden, um bestimmten Anforderungen für den Nahbereich Rechnung zu tragen.

Die Sensorgruppe g ist ein Teilausschnitt aus der Sensorgruppe ß, weist aber auch zwei Sensorelemente 28 auf, die für die Sensorgruppe g exklusiv sind. Beispielswei se können sich die verschiedenen Sensorgruppen auch vollständig überlappen, also eine gemeinsame Anzahl an Sensorelementen 28 aufweisen. Es können allerdings auch alle Sensorelemente 28 einer Sensorgruppe exklusiv dieser Sensorgruppe zu geordnet sein. Es kann auch auftreten, dass auch nur ein Teil der Sensorelemente 28 für eine Sensorgruppe exklusiv ist, wobei die restlichen Sensorelemente 28 Teil mehrerer Sensorgruppen sind.

Bei einem Übergang von einem ersten Messbereich zu einem zweiten Messbereich, beispielsweise vom Mittelbereich zum Fernbereich wird sodann lediglich ein Teil der Sensorelemente der zuvor aktiven Sensorgruppe deaktiviert, wobei ein Teil der Sen sorelemente aktiviert verbleibt und gegebenenfalls eine weitere Anzahl an Sensorel ementen 28 aktiviert wird.

Die Sensorelemente 28 sind mit einem TDC 38, Time to Digital Converter, verbun den. Dieser TDC 38 ist Teil der Elektronik 20. An der Empfangseinheit ist für jede Makrozelle 36 ein TDC 38 ausgebildet, der mit allen Sensorelementen 28 der Makro zelle 36 verbunden ist. Diese Ausgestaltungsvariante für die TDC 38 ist jedoch bei spielhaft.

Ein als SPAD ausgebildetes Sensorelement 28, welches zugleich aktiv ist, kann durch ein eintreffendes Photon ausgelöst werden. Diese Auslösung wird durch die TDC 38 ausgelesen. Die TDC 38 trägt diese Detektion sodann in ein Histogramm des Messvorgangs ein. Dieses Histogramm wird im Weiteren noch ausführlich erläu tert. An der SPAD muss nach einer Detektion zunächst wieder die notwendige Vor spannung aufgebaut werden. Innerhalb dieser Zeit ist die SPAD blind und kann nicht durch eintreffende Photonen ausgelöst werden. Diese zum Aufladen benötigte Zeit wird auch Totzeit genannt. Diesbezüglich ist auch anzumerken, dass eine inaktive SPAD eine gewisse Zeit zum Aufbau der Betriebsspannung benötigt.

Die Emitterelemente 24 des Messsystems 10 senden ihre Lichtpulse nacheinander aus, beispielsweise zeilen- oder reihenweise. Dadurch wird verhindert, dass eine Reihe oder Spalte an Emitterelementen 24 die Sensorelemente 28 der benachbarten Reihe oder Spalte von Makrozellen 36 auslöst, vermieden. Insbesondere sind nur die Sensorelemente 28 der Makrozellen 36 aktiv, deren korrespondierende Emitterele mente 24 ein Laserlicht 30 ausgesendet haben. Wie bereits erwähnt, wird für die Bestimmung des Abstands der Objekte das TCSPC- Verfahren bereitgestellt. Dieses wird anhand der Figur 3 erläutert. Bei dem TCSPC wird ein Messvorgang durchgeführt, um etwaige Objekte und deren Abstand von dem Messsystem 10 zu ermitteln. Ein Messvorgang umfasst mehrere wesensgleiche Messzyklen, die identisch wiederholt werden, um ein Histogramm bereitzustellen.

Dieses Histogramm wird sodann ausgewertet, um etwaige Objekte und deren Ab stand zu ermitteln. Die Figur 3 umfasst dabei mehrere Unterfiguren a, b, c, d, e, f, g. Jede der Figuren weist dabei eine eigene Y-Achse auf, jedoch teilen sich diese eine gemeinsame X-Achse, auf der die Zeit aufgetragen ist. Die Fig. 3a bis 3f zeigen ei nen einzelnen Messzyklus, wobei die Fig. 3g das Ergebnis eines gesamten Mess vorgangs darstellt. Ein Messvorgang startet zum Zeitpunkt t _start und endet zum Zeit punkt t _ende .

In der Figur 3a ist die Aktivität eines Emitterelements 46 im Laufe eines Messzyklus dargestellt. Das Emitterelement wird zum Zeitpunkt t ₂ aktiviert und kurz darauf zum Zeitpunkt t _2* deaktiviert, wodurch ein Laserpuls ausgesendet wird.

Die Figuren b, c und d zeigen die Aktivitätsphasen der Sensorelemente 28 der Sen sorgruppen a, ß und g innerhalb eines Messzyklus. Das Sensorelement der Sensor gruppe a wird bereits vor dem Aussenden des Laserpulses zum Zeitpunkt t ₀ geladen und ist bereits zum Zeitpunkt ^ aktiv. Der Zeitpunkte ^ und t ₂ können hierbei zeitlich aufeinander fallen oder versetzt zueinander sein. Die Sensorgruppe a ist somit spä testens mit dem Aussenden des Laserpulses 30 aktiv. Dies entspricht dem Nahbe reich.

Die Sensorelemente der Sensorgruppe ß werden kurz vor dem Deaktivieren der Sensorgruppe a zum Zeitpunkt t ₃ geladen und sind zum Zeitpunkt t ₄ , an dem die Sensorgruppe a deaktiviert wird, aktiv. Die Sensorgruppe ß, die den Mittelbereich abdeckt, verbleibt für einen längeren Zeitraum aktiv, bis diese zum Übergang des Fernbereichs hin abgeschaltet wird. Die Aktivität der Sensorelemente 28 der Sensorgruppe g ist in der Figur 3d darge stellt. Da die Sensorgruppe g zum Teil eine Untergruppe von ß ist, werden zum Zeit punkt t ₇ die überlappenden Sensorelemente 28 aktiv gelassen, wohingegen die übri gen Sensorelemente 28 der Sensorgruppe ß deaktiviert werden. Die verbleibenden Sensorelemente 28 der Sensorgruppe g werden bereits vorab zum Zeitpunkt t ₆ gela den. Die Sensorgruppe g verbleibt ebenfalls für einen langen Zeitraum aktiv, bis die se zum Zeitpunkt t ₈ deaktiviert werden. Der Zeitpunkt t ₈ entspricht ebenso dem Ende des Messzyklus zum Zeitpunkt t _ende . Das Ende des Messzyklus muss in anderen Ausführungsbeispielen jedoch nicht identisch mit dem deaktivieren der letzten akti ven Sensorgruppe sein. Der Beginn des Messzyklus 42 ist durch den Zeitpunkt t _start und das Ende des Messzyklus 44 ist durch den Zeitpunkt t _ende definiert.

Der Messzyklus umfasst somit das Aussenden des Laserpulses 46, das Umschalten der Sensorgruppen sowie die Detektion von eintreffendem Licht im Nahbereich 48, im Mittelbereich 50 sowie im Fernbereich 52.

In der Figur 3e ist beispielhaft ein Objekt 32 dargestellt, welches sich im Mittelbereich aufhält. Die Darstellung entspricht dabei der Reflexionsfläche des Objekts 32. Der an dem Objekt 32 reflektierte Laserpuls 30 kann von den aktiven Sensorelementen 28 der Sensorgruppe ß zum Zeitpunkt t ₅ detektiert werden.

In der Figur 3f ist ein Histogramm 54 dargestellt, welches eine beispielhafte Füllung mehrerer Messzyklus darstellt. Das Histogramm unterteilt die Gesamtheit des Messzyklus in einzelne Zeitabschnitte. Ein solcher Zeitabschnitt eines Histogramms 54 wird auch Bin 56 genannt. Die TDC 38, welche das Histogramm 54 befüllt liest die Sensorelemente 28 aus. Lediglich ein aktives Sensorelement 28 kann eine Detektion an die TDC 38 weitergeben. Wird eine SPAD durch ein Photon ausgelöst, so befüllt die TDC 38 das Histogramm, welches beispielsweise durch einen Speicher abgebil det wird, mit einer digitalen 1 bzw. einer Detektion 58. Die TDC verknüpft diese De tektion 58 mit der aktuellen Zeit und befüllt das dazugehörige Bin 56 des Histo gramms 54 mit dem digitalen Wert. Da es lediglich ein einziges Objekt 32 im Mittelbereich gibt, kann auch lediglich die ses eine Objekt 32 detektiert werden. Dennoch ist das Histogramm über den gesam ten Messzyklus mit Detektionen 58 befüllt. Diese Detektionen 58 werden durch die Hintergrundstrahlung erzeugt. Die Photonen der Hintergrundstrahlen können die SPADs auslösen. Die Höhe des dadurch erzeugten Rauschgrunds ist somit von der Anzahl der aktiven SPADs abhängig, also der Anzahl der Sensorelemente 28 einer Sensorgruppe.

Man erkennt, dass im Nahbereich 48 lediglich zwei Bins 56 mit jeweils einer Detekti on 58 gefüllt, wobei ein drittes Bin leer bleibt. Dies entspricht der ermittelten Hinter grundstrahlung. Die Anzahl der Detektionen ist sehr gering, da lediglich eine einzelne SPAD aktiv ist.

In dem zeitlich darauffolgenden Mittelbereich 50 ist die Sensorgruppe ß aktiv, die ein Mehrfaches an aktiven Sensorelementen 28 aufweist. Dementsprechend ist auch die detektierte Hintergrundstrahlung größer, so dass ein Bin im Mittel mit drei Detektio nen 58 gefüllt ist, teilweise auch 4 oder 2 Detektionen 58. In dem Bereich 32, in dem sich die reflektierende Oberfläche des Objekts 32 zum Zeitpunkt t ₅ des Messzyklus befindet, ist die Anzahl der Detektionen 58 wesentlich höher. Hierbei sind sieben o- der acht Detektionen 58 im Histogramm 54 verzeichnet.

In dem Fernbereich 52 befindet sich kein Objekt, welches detektiert werden kann. Hierbei ist lediglich die Hintergrundstrahlung mit im Mittel ein bis zwei Detektionen 58 pro Bin dargestellt. Der Mittelwert des Rauschgrunds ist dementsprechend geringer als im Mittelbereich 50, da auch die Anzahl der SPADS geringer ist. Der Mittelwert der Detektionen 58 ist jedoch höher als im Nahbereich 48, da der Nahbereich 48 mit der Sensorgruppe a nur einen Bruchteil der Anzahl der Sensorelementen 28 der Sensorgruppe g aufweist.

Das dargestellte Histogramm ist wie bereits erwähnt lediglich beispielhaft gefüllt. Die Anzahl der Bins und auch deren Füllung können sich bei einem tatsächlichen Messzyklus wesentlich unterscheiden. Aus einem einzelnen Messzyklus kann im Normalfall noch kein Objekt 32 detektiert werden. Dementsprechend werden bei dem TCSPC Verfahren eine Vielzahl an Messzyklen nacheinander ausgeführt. Dabei füllt jeder Messzyklus dasselbe Histogramm. Ein solches Histogramm, welches durch eine Vielzahl an Messzyklen gefüllt wurde, ist in der Fig. 3g dargestellt.

Das Histogramm der Figur 3g ist ebenfalls durch digital gefüllte Bins ausgebildet. Für eine übersichtlichere Ansicht wurde in dieser Figur jedoch auf die Darstellung jedes Bins verzichtet und lediglich eine Linie eingezeichnet, die der Füllmenge der Bins entspricht.

Im Nahbereich 48 ergibt sich ein niedriger Rauschgrund, im Mittelbereich 50 ergibt sich der höchste Rauschgrund, da hier auch die meisten Sensorelemente aktiv sind. Im Fernbereich 52 liegt der ermittelte Rauschgrund zwischen dem des Nahbereichs 48 und dem des Fernbereichs 50. Man kann zudem im Mittelbereich 50 die Detektion des von dem Objekt 32 reflektierten Laserlicht 30 in Form eines Peaks 33 erkennen. Die ermittelte Hintergrundstrahlung ist statistisch gleichmäßig verteilt, wodurch eine im Wesentlichen gerade Linie in Abhängigkeit der Anzahl der aktiven Sensorelemen te bereitgestellt wird. Das Objekt und dessen reflektierende Oberfläche sind jedoch immer an derselben Stelle und über die Summe der Messzyklen steht der Peak 33 über den Rauschgrund hervor.

Der Peak 33 kann nun über sein Maxima oder seine steil ansteigende Flanke als Ob jekt 32 erkannt und über seine Position im Histogramm der Abstand des Objekts 32 bestimmt werden.

Bei der Ermittlung des Histogramms gemäß der Figur 3g wurde der Messzyklus der Figur 3 vielfach identisch wiederholt. Insbesondere sind alle beschriebenen Aktionen immer zu denselben Zeitpunkten t ₀ bis t ₈ durchgeführt.

Für eine Verbesserung der Detektion können die Messzyklen auch anstatt identisch lediglich wesensgleich ausgebildet sein. Dafür wird die Aktivierung und die Deaktivie rung der Sensorgruppen von Messzyklus zu Messzyklus zeitlich etwas verschoben. Dadurch können die steil ansteigenden und abfallenden Flanken bei den Übergän- gen der Messbereiche abgeflacht werden. Für die weiteren Erläuterungen ist das Heranziehen der Fig. 3g jedoch mehr als ausreichend.

In der Fig. 4 ist ein Messvorgang grafisch dargestellt, der mehrere Messzyklen 60, 62 und 64 aufweist. Bezüglich des ersten Messzyklus 60, des zweiten Messzyklus 62 und des dritten Messzyklus 64 ist die jeweilige Zeitachse eingezeichnet, die über die Messdauer t _mess eines Messzyklus hinausgeht.

Innerhalb der Messdauer t _mess befindet sich das Objekt 32, welches zu dem darge stellten Zeitpunkt von dem Sensorelement 28 detektiert wird. Durch dieses Objekt 32 wird der Peak 33 in dem Histogramm gemäß Fig. 3f erzeugt.

Zudem ist ein Objekt 66 eingezeichnet. Dieses Objekt 66 befindet sich außerhalb der festgelegten maximalen Messreichweite des LI DAR Messsystems 10. Des Weiteren weist das Objekt eine Reflektivität auf, die eine Detektion durch ein Sensorelement 28 in einen nachfolgenden Messzyklus bewirkt. Der zu Beginn des ersten Messzyk lus 60 ausgesendete und an dem Objekt 66 reflektierte Laserpuls 30 wird nun in dem in dem zweiten Messzyklus 62 detektiert. Die Detektion im zweiten Messzyklus er folgt zum Zeitpunkt T _g .

Der Einfachheit halber bewegt sich das Objekt über die Messdauer des Messvor gangs gegenüber dem LI DAR Messsystem nicht. Zudem wird bei dem Messvorgang mit dem Ende eines Messzyklus sofort der nächste Messzyklus gestartet. Dadurch wird der Laserpuls des zweiten Messzyklus 62 in dem dritten Messzyklus 64 eben falls bei der Zeit T _g erfasst.

In dem Histogramm bildet sich ein Peak 67 aus. Dieser Peak 67 wird als Geisterob jekt in kurzer Distanz erkannt, obwohl sich das Objekt 66 tatsächlich außerhalb der maximalen messreichweite befindet.

Ein solches Geisterobjekt kann durch das Verfahren, welches anhand der Fig. 5 er läutert wird, ausgeblendet werden. Die Fig. 5 zeigt ebenfalls drei Messzyklen 60, 62 und 64 von einer Vielzahl an Messzyklen eines Messvorgangs. Die Objekte 32 und 66 verhalten sich identisch zu dem in Fig. 4 erläuterten Verfahren.

Zwischen dem Ende des ersten Messzyklus 60 und dem Beginn des zweiten Messzyklus 62 wird eine erste Wartezeit abgewartet. Dadurch wird der an dem Objekt 66 reflektierte Laserpuls zum Zeitpunkt T ₁ detektiert. Zwischen dem Ende des zweiten Messzyklus 62 und dem Beginn des dritten Messzyklus 64 wird eine zweite Wartezeit At ₂ abgewartet. Die erste Wartezeit und die zweite Wartezeit At ₂ sind hierbei verschieden. Dadurch wird das Laserlicht, welches an dem Objekt 66 reflek tiert wir, zum Zeitpunkt T ₂ detektiert. Ebenso unterscheiden sich auch weitere Warte zeiten voneinander.

Der Peak 67 verschmiert dadurch zu dem verschmierten Peak 68. Bei einer Auswer tung des Histogramms wird kein Geisterobjekt mehr erkannt.

Die Wartezeiten können linear aufsteigen, also von Messzyklus zu Messzyklus einen bestimmten Wert verlängert werden. Hier kann es jedoch eintreten, dass ein Objekt außerhalb der maximalen Messreichweite eine Bewegung durchführt, die die Verän derung der Wartezeit aufhebt.

Von daher wird vorgeschlagen, dass die Wahl der Wartezeit von Messzyklus zu Messzyklus zufällig ausgewählt wird. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Objekt gerade eine solche Relativbewegung gegenüber dem Messsystem durchführt ist nahezu Null. Um die Messdauer des Messvorgangs dennoch gering zu halten, kann ein Zeit bereich vorgegeben werden, in dem die Wartezeiten liegen. Ein solcher Zeitbereich umfasst vorteilhafterweise eine Vielzahl an Bins.

Um ein gleichmäßiges Verschmieren zu bewirken kann zudem kann eine bereits verwendete Wartezeit für nachfolgende Messzyklen verbraucht sein. Dadurch ist ge währleistet, dass jede Wartezeit des Zeitbereichs lediglich einmal oder begrenzt oft verwendet wird. Zudem kann der Zeitbereich kleiner gewählt werden als die Anzahl der Messzyklen multipliziert mit der Zeitdauer eines Bins. Insbesondere lässt sich hierdurch die Form, in die ein Peak eines Geisterobjekts verschmiert wird sehr gut definieren.

Alternativ zu der zufälligen Auswahl der Wartezeit kann auch eine deterministische Wahl der Wartezeiten verwendet werden. Hierbei sind die Wartezeiten bereits vorab festgelegt und werden für die aufeinanderfolgenden Messzyklen verwendet. Die de terministische Wahl stellt die Wartezeiten derart bereit, dass keine Geisterobjekte detektiert werden. Beispielsweise werden die Wartezeiten ebenfalls innerhalb eines Zeitbereichs gewählt, wobei die Wartezeiten einen Mindestabstand voneinander aufweisen. Insbesondere werden große und kleine Wartezeiten abwechselnd ge wählt.

Ein Mindestabstand ist auch für die statistische Verteilung denkbar, um die Detektio nen des fernen Objekts optimal in dem Histogramm zu verteilen.

Grundsätzlich sind die Ausführungen zur statistischen Wahl der Wartezeiten sinnge mäß auf die deterministische Wahl der Wartezeiten anwendbar sowie auch umge kehrt.

An dem Messsystem ist für die Durchführung dieses Verfahrens eine Zeitsteuerein heit an der Elektronik 20 ausgebildet. Diese Elektronik steuert den zeitlichen Ablauf des Messvorgangs, insbesondere der einzelnen Messzyklen sowie der zeitlichen Ak tivierung- du Deaktivierung der einzelnen Elemente des Messsystems. Diese Zeit steuereinheit weist beispielsweise einen Timing-Controller auf. Dementsprechend steuert die Zeitsteuereinheit die genaue Einhaltung der Wartezeiten zwischen den- Messzyklen. Bezuqszeichen LI DAR Messsystem

LIDAR Sendeeinheit

LIDAR Empfangseinheit

Sendeoptik

Empfangsoptik

Elektronik

Sendechip

Emitterelement

Empfangschip

Sensorelement

Laserlicht / Laserpuls

Objekt

Peak

Verbindung

Makrozelle

TDC

x-Achse (Zeit)

Beginn Messzyklus

Ende Messzyklus

Aussenden Laserpuls

Detektion Nahbereich

Detektion Mittelbereich

Detektion Fernbereich

Histogramm

Bin

Detektion

erster Messzyklus

zweiter Messzyklus

dritter Messzyklus

Objekt

Peak 68 verschmierter Peak a,b,g Sensorgruppe

1.11.... Spalte Sendechip

1.11.... Spalte Empfangschip

A,B,... Reihe Sendechip a,b,... Reihe Empfangschip t _start Zeitpunkt

t _ende Zeitpunkt

t ₀ Zeitpunkt

ti Zeitpunkt

t ₂ Zeitpunkt

t _2* Zeitpunkt

t ₃ Zeitpunkt

t ₄ Zeitpunkt

t ₅ Zeitpunkt

t ₆ Zeitpunkt

t ₇ Zeitpunkt

t ₈ Zeitpunkt

T _g Zeitpunkt

Zeitpunkt T ₂ Zeitpunkt

Wartezeit DG ₂ Wartezeit