Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines Objekts mittels einer optischen Sensoranordnung.

Die Erfindung betrifft weiter eine optische Sensoranordnung.

Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige Objekte anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf Umfelderkennung von Objekten im Bereich von Fahrzeugen erläutert.

Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige optische Sensor- anordnungen anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf optische Sensoranordnungen in Form von LIDAR-Sensoren erläutert.

Stand der Technik

Aus der DE 10 2006 045 1 15 A1 ist ein Ziel Verfolgungs- und Sensorfusionssystem zum Beobachten eines Zustandes mindestens eines Objekts während eines Zyklus bekannt geworden. Das System weist mehrere Sensoren und einen Controller auf, der kommunikativ mit den Sensoren gekoppelt ist und zu einer genaueren Schätzung des Zustandes auf der Grundlage einer Sensorfusion ausgebildet ist.

Offenbarung der Erfindung

In einer Ausführungsform stellt die Erfindung Verfahren zur Detektion eines Objekts mittels einer optischen Sensoranordnung bereit, umfassend die Schritte,

Erstes Scannen eines vorbestimmten Winkelbereichs mittels einer optischen Phased-Array-Sendeeinrichtung der Sensoranordnung durch Aussenden von elektromagnetischer Strahlung von Emittern der optischen Phased-Array-Sendeeinrichtung,

Identifizieren von Objekten anhand von der Sensoranordnung empfangener elektromagnetischer Strahlung, und

Verifizieren (S4) der identifizierten Objekte anhand von empfangener elektromagnetischer Strahlung von einem zweiten Scannen (S3) des vorbestimmten Winkelbereichs durch Aussenden von elektromagnetischer Strahlung, wobei die Phase der jeweils von den Emittern (5) ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung verschoben wird, wobei der Mittelwert über alle verschobenen Phasen im Wesentlichen kleiner oder gleich einem Schwellwert ist, der sich aus 2 ^* Pi geteilt durch die Anzahl der Emitter (5) der Phased-Array Sendeeinrichtung (2) ergibt.

In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine optische Sensor- anordnung in Form eines LIDAR-Systems oder dergleichen bereit, umfassend

eine optische Phased-Array-Sendeeinrichtung, die ausgebildet ist,

ein erstes Scannen eines vorbestimmten Winkelbereichs durch Aussenden von elektromagnetischer Strahlung von Emittern der optischen Phased-Array-Sendeeinrichtung durchzuführen, und

ein zweites Scannen des vorbestimmten Winkelbereichs durch Aussenden von elektromagnetischer Strahlung durchzuführen, wobei die Phase der jeweils von den Emittern ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung verschoben wird, wobei der Mittelwert über alle verschobenen Phasen im Wesentlichen kleiner oder gleich einem Schwellwert ist, der sich aus 2 ^* Pi geteilt durch die Anzahl der Emitter der Phased-Array Sendeeinrichtung ergibt.

und eine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist,

Objekte anhand von der Sensoranordnung empfangener elektromagnetischer Strahlung zu identifizieren, und

- Identifizierte Objekte zu verifizieren anhand der bei dem zweiten Scannen empfangenen elektromagnetischen Strahlung.

Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass durch das aufgegebene Rauschen auf die Phase der Emitter eine einfachere und zuverlässigere Identifikation von falschen Objekten ermöglicht, denn bei einem falsch positiven Objekt, d.h. ein Objekt wird fälschlich in einer bestimmten Position, Winkel oder Zustand wie Geschwindigkeit oder dergleichen identifiziert, würde die empfangene elektromagnetische Strahlung und damit das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zunehmen beziehungsweise zumindest konstant bleiben und nicht wie erwartet, abnehmen.

Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar:

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung erfolgt das erste Scannen mittels eines Abstrahlprofils der Emitter, welches elektromagnetische Strahlung in den vorbestimmten Winkelbereich mit einer Hauptabstrahlrichtung abstrahlt, wobei Licht im restlichen Winkelbereich - Hintergrundstrahlung - homogen verteilt und abgestrahlt wird. Mit anderen Worten weist die Hintergrundstrahlung keine signifikanten Maxima auf. Auf diese Weise ist es nun unabhängig von der abstrahlen Richtung im Wesentlichen gleich wahrscheinlich, dass ein Objekt falsch positiv erkannt wird, sodass insgesamt die Detektion von Objekten zuverlässiger erfolgt. Unter dem Begriff„homogen“ ist hier ein ausreichendes Maß an Gleichverteilung der Hintergrundstrahlung der Emitter zu verstehen, insbesondere eine Streuung um einen Intensitätsmittelwert von +/- 5db zumindest über die Hälfte des Winkelbereichs.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die Emitter zur Bereit- stellung der homogen abgestrahlten Hintergrundstrahlung zufällig gegeneinander verschoben. Damit kann auf besonders einfache Weise eine homogene beziehungsweise möglichst homogene Hintergrundstrahlung bereitgestellt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die Emitter um maximal 30 % des ursprünglichen Abstandes zueinander verschoben. Damit kann auf gleichzeitig einfache und zuverlässige Weise die Hintergrundstrahlung ausreichend homogen bereitgestellt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Verschieben der Phasen der Emitter zufällig. Damit lässt sich auf einfache Weise ein Verschieben der Phasen bereitstellen. Eine aufwändige Regelung der Phasen der einzelnen Emitter zueinander kann damit entfallen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung beträgt die maximale Verschie- bung der Phasen % ^* Pi. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit eine ausreichende maximale Verschiebung der Phasen bereitgestellt werden kann, um die Hintergrundstrahlung zu erhöhen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Identifizieren von Objekten einen Abgleich der Intensität der empfangenden elektromagnetischen Strahlung mit einer ermittelten Entfernung eines Objekts. Damit wird die Zuver- lässigkeit bei der Detektion von Objekten weiter erhöht. Mit anderen Worten wird hier überprüft, ob ein gemessenes Signal eines Objekts zu der gemessenen Entfernung des detektierten Objekts passt. Objekte, die sich sehr nah, also in kurzer Distanz zur Sensoranordnung befinden, weisen auch ein entsprechend stärkeres gemessenes Signal auf.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das erste Scannen M-fach wiederholt und das Verifizieren wird erst dann durchgeführt, wenn zumindest N-fach ein Objekt während des M-fach durchgeführten ersten Scannens identifiziert wurde. Damit wird insgesamt die Effizienz verbessert, beispielsweise die Bereitschaft einer Sensoranordnung, die mittels des Verfahrens betrieben wird, erhöht, weil nicht jedes Ziel, sondern nur verdächtige Ziele überprüft werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Verhältnis von M zu N zumindest 10. Damit wird eine ausreichende Zuverlässigkeit bereitgestellt, bevor Objekte in einem weiteren Schritt verifiziert werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Schwellwert im Wesentlichen 0. Damit wird eine besonders zuverlässige Detektion eines Objekts erreicht.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unter- ansprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu er- läuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich- nungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Dabei zeigt

Figur 1 eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 3a, 3b jeweils eine Lichtverteilung eines periodischen (Figur 3a) und eines nicht periodischen (Figur 3b) optischen Phasenarrays gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Figur 4a, 4b jeweils eine Abstrahlcharakteristik eines Phasenarrays für zwei unterschiedliche Ablenkrichtungen mit Phasenrauschen in loga- rithmischer (Figur 4a) und linearer (Figur 4b) Darstellung.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Figur 1 ist in schematischer Form eine Sensoranordnung 1 gezeigt. Die Sensoranordnung 1 umfasst ein Phasenarray 2 zum Aussenden und Empfangen elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise eines optischen Signals, mit einer Vielzahl von Emittern 5, beispielsweise 100 oder 1000 Einzelemittern. Das Phasenarray 2 ist mit einer Auswerteeinrichtung 6, beispielsweise in Form eines Computers oder dergleichen verbunden. Wird nun von dem Phasenarray 2, genauer von dessen Emitter 5, elektromagnetische Strahlung in einen bestimmten Winkelbereich gesendet, beispielsweise wird der Winkelbereich abgescannt, indem die entsprechende Strahlung rasterförmig den gesamten Winkelbereich wiederholt abtastet, können beispielsweise Objekte 10, 1 1 erkannt werden. In dem Beispiel der Figur 1 ist lediglich das Fahrzeug 10 ein richtiges Ziel, wohingegen das Verkehrszeichen 1 1 ein sogenanntes falsch positives Objekt.

Allgemein sind falsch positive Objekte hierbei Punkte, die die Sensoranordnung 1 identifiziert und in einer Punktewolke, die sich aus den Signalen der empfangenen elektromagnetischen Strahlung entsprechend den jeweiligen Richtungen und Entfernungen zusammensetzt, ausgibt, die in der Realität aber zumindest an dieser ermittelten Position nicht existieren. Mit anderen Worten detektiert die Sensoranordnung 1 ein Objekt 1 1 , tatsächlich befindet sich dort aber kein Objekt. Bei Phasenarrays werden durch eine relativ große optische Leistung, die nicht in den Hauptstrahl/Hauptkeule beziehungsweise der jeweiligen Scanrichtung abgestrahlt wird, sondern in den Hintergrund, Objekte unter einem falschen Winkel angezeigt, in Figur 1 gezeigt. Hier detektiert die Sensoranordnung 1 einen Bereich, wo sich in größerer Entfernung, hier beispielsweise >100 m, ein Fahrzeug 10 befindet. Gleichzeitig befindet sich im Sichtbereich der Sensoranordnung 1 , also im abgescannten Winkelbereich, aber nicht dort wo die Hauptkeule/aktuelle Abstrahlrichtung/Scanstrahl hin ausgerichtet ist, ein anderes Objekt, beispielsweise ein Schild 1 1. Dieses Schild 11 befindet sich zwar unter einem falschen Winkel, aber nur in kurzer Entfernung, hier wenige Meter, beispielsweise 1 m von der Sensoranordnung 1.

Aufgrund der größeren Entfernung in Vorwärtsrichtung hat das zurückgestreute Licht vom Fahrzeug 10 beispielsweise eine um bis 40 dB reduzierte Leistung gegenüber dem zurückgestreuten Licht vom Schild 1 1 bei angenommener gleicher Reflektivität der Ziele/Objekte.

Auf der anderen Seite, wirkt das Phasenarray wie ein räumlicher Filter in Vorwärtsrichtung. Beispielsweise hat ein Phasenarray eine Unterdrückung von 20- 30 dB von der Hauptkeule/Hauptabstrahlrichtung gegenüber dem Hintergrund, beziehungsweise nur wenigen dB zwischen Hauptkeule und Nebenkeulen. Diese Filterung würde bei einer koaxialen Anordnung von Sende- und Empfangseinrichtung der Sensoranordnung 1 doppelt stattfinden, sowohl in Sende- als Empfangsrichtung, damit wäre die Unterdrückung von beliebigen Zielen nicht in Zielrichtung, also der Hauptabstrahlrichtung, aber im allgemeinen Winkelbereich ungefähr 40-60 dB. Dieser Leistungsunterschied ist vergleichbar mit der Unterdrückung durch den Reichweitenunterschied. Die Sensoranordnung 1 würde also unter der Annahme, dass diese in eine erste Richtung gerade scannt, auch ein Ziel in sehr kurzer Entfernung (1 m) identifizieren, welches sich jedoch in der Realität in einer anderen Richtung befindet. Die Sensoranordnung 1 kann dies aber nicht unterscheiden. Dieses Objekt existiert also nicht wo die Sensoranordnung es detektiert und ist damit ein falsches positives Objekt.

Figur 2 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegen- den Erfindung.

In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein erstes Scannen eines vorbestimmten Winkelbereichs mittels einer optischen Phased-Array-Sendeeinrichtung der Sensoranordnung durch Aussenden von elektromagnetischer Strahlung von Emittern der optischen Phased-Array-Sendeeinrichtung.

In einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Identifizieren von Objekten anhand von der Sensoranordnung empfangener elektromagnetischer Strahlung.

In einem dritten Schritt S3 erfolgt ein zweites Scannen des vorbestimmten Winkelbereichs durch Aussenden von elektromagnetischer Strahlung, wobei die Phase der jeweils von den Emittern ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung verschoben wird, wobei der Mittelwert über alle verschobenen Phasen im Wesentlichen kleiner oder gleich einem Schwellwert ist, der sich aus 2 ^* Pi geteilt durch die Anzahl der Emitter der Phased-Array Sendeeinrichtung ergibt.

In einem vierten Schritt S4 erfolgt ein Verifizieren der identifizierten Objekte anhand von empfangener elektromagnetischer Strahlung von dem zweiten Scannen gemäß Schritt S3.

Zusätzlich kann eine möglichst gleichmäßige räumliche Verteilung der Hintergrundstrahlung des Phasenarrays 2 bereitgestellt werden. Mit anderen Worten wird die Hintergrundstrahlung also nicht unterdrückt, sondern gleichmäßig verteilt. Wenn ein seitliches Objekt, wie das Schild 11 gemäß Figur 1 , detektiert wird, dann wird dieses immer detektiert, unabhängig davon wo die Sensoranordnung 1 ihre Hauptabstrahlrichtung richtet. Dieses falsch positive Ziel wird dann mit ansonsten gleichen Eigenschaften, zum Beispiel Reichweite, aber auch Geschwindigkeit oder Signalstärke, identifiziert. Wenn die Sensoranordnung 1 nun nach mehreren Richtungen immer ein Objekt in kurzer Entfernung mit gleichen Eigenschaften, aber unter verschiedenen Winkeln, detektiert hat, markiert es dieses Objekt und überprüft dieses. Bei dieser Überprüfung wird die elektrische Ansteuerung der Phasenschieber mit einem Rauschen versehen. Dieses Rauschen muss erwartungswertfrei sein, also der Mittelwert entspricht einer technischen Null, aber kann im Einzelnen mehrere p betragen. Durch das Rauschen wird die Effizienz des Phasenarrays gezielt verschlechtert, es geht also weniger Licht in die Hauptkeule beziehungsweise Hauptabstrahlrichtung und mehr in die Hintergrundstrahlung. Zwar ist eine „technische Null“ als Mittelwert vorteilhaft, es ist aber ausreichend, wenn der Mittelwert im Wesentlichen kleiner oder gleich einem Schwellwert ist, der sich aus 2 ^* Pi geteilt durch die Anzahl der Emitter der Phased-Array Sendeeinrichtung ergibt.

Wenn das Signal bei dem markierten Punkt 3 nun abnimmt, wird dies als ein echtes, also korrekt identifiziertes Objekt 10 angenommen und die Sensoranordnung kann weiter scannen. Wenn das Signal bei dem markierten Punkt / Objekt 11 aber zunimmt oder stabil bleibt, dann ist dieses ein falsch positives Ziel / Objekt.

Figur 3a, 3b zeigen jeweils eine Lichtverteilung eines periodischen (Figur 3a) und eines nicht periodischen (Figur 3b) optischen Phasenarrays gemäß einer Ausdrucksform der vorliegenden Erfindung. In Figur 3a ist ein periodisches Phasenarray gezeigt ist mit zwei Ablenkrichtungen (0°, 10°). Ebenfalls gezeigt sind Nebenkeulen bei den Winkeln +/- 50° bzw. +/- 38°. Die Emitter 5 des Phasenarrays weisen einen Abstand von 2 pm auf und das Phasenarray strahlt Licht bei einer Wellenlänge von 1 ,55 pm aus. In Figur 3b sind nun die Emitter zufällig um maximal 30 % des ursprünglichen Abstandes zueinander verschoben. Dies führt zu einer ausreichend gleichmäßigen Verteilung des Hintergrundlichts, wie in Figur 3b gezeigt. Über den gesamten Sichtbereich von 120° existieren keine Nebenkeulen mehr. Aufgrund der relativ gleichmäßigen Verteilung über den gesamten Winkelbereich ist es nun, unabhängig wohin die Hauptkeule der Sendeeinrichtung gerichtet ist, gleich wahrscheinlich, dass diese ein falsches positives Ziel detektiert. Wenn ein Ziel mit gleichen Eigenschaften, insbesondere Entfernung, Geschwindigkeit, Signal unter unterschiedlichen Richtungen auftritt, wird dieses mehrfach identifiziert. Wenn ein Ziel innerhalb von M Scans N-fach identifiziert wird, wird dieses, wie oben bereits ausgeführt, markiert. Die Markierung bedeutet hier, dass dieses Ziel nun verifiziert wird, also überprüft wird, dass es kein falsches positives Ziel ist. Zur Verifizierung wird gezielt ein Rauschen auf die Phasen- einstellung der einzelnen Phasenschieber im Phasenarray 2 gegeben, d. h. die Phaseneinstellung wird an jedem Phasenschieber um einen zufälligen Wert verschoben, wobei der Mittelwert der Verschiebung null ist. Die Größe der Verschiebung kann angepasst werden.

In den Figuren 4a, 4b ist beispielsweise der Effekt von einer maximalen Verschiebung von +/- 0.75p pro Phasenschieber gezeigt. Durch diese zufällige Verschiebung wird also mehr Licht in den Hintergrund gestreut und weniger in die Hauptkeule. Die Signalstärke für ein echtes Ziel/Objekt reduziert sich. Wenn also das markierte Objekt in der„Blickrichtung“ der Sensoranordnung existiert, dann wird die Signalstärke abnehmen. Ist das markierte Ziel ein falsches positives Ziel, dann ist die Signalstärke konstant oder sogar größer. Das Rauschen auf die Phasenschieber/Emitter erlaubt es also echte von falschen positiven Zielen zuverlässig zu unterscheiden. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Schritten kann eine Vormarkierung verwendet werden, basierend darauf, ob das Signal, welches gemessen wird, zu der gemessenen Entfernung des Objekts passt. Objekte die sehr nah sind, haben im Allgemeinen auch ein stärkeres Signal. Figur 4a, 4b jeweils eine Abstrahlcharakteristik eines Phasenarrays für zwei unterschiedliche Ablenkrichtungen mit Phasenrauschen in logarithmischer (Figur 4a) und linearer (Figur 4b) Darstellung. In den Figuren 4a, 4b ist der Effekt des Phasenrauschens auf die Abschlag- Charakteristik eines Phasenarrays für zwei unterschiedliche Ablenkungsrichtungen, einmal 0°, einmal 10° (Ablenkungswinkel Bezugszeichen 20) gezeigt. Auf der vertikalen Achse ist die Intensität 21 aufgetragen. In der logarithmischen Darstellung in Figur 4a ist eine Erhöhung des Flintergrundlichts im Bereich des Abstrahlwinkels 20 um die 5° herum anhand des Pfeils 30 gezeigt. Die Reduktion in den beiden

Blickrichtungen, also einmal 0°, einmal 10°, wird durch die beiden Pfeile 31 gezeigt. Dies ist in der linearen Darstellung der Figur 4b deutlicher erkennbar.

Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen zumindest einen der folgenden Vorteile auf:

• Zuverlässige Identifizierung von falschen Zielen.

• Kostengünstige Herstellung.

• Reduzierte Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Stößen.

• Kompakte Bauform.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele be- schrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modi- fizierbar.