DE102016224509A1

DE102016224509A1 - Empfängeranordnung und Verfahren zum Empfang wenigstens eines Lichtimpulses und zur Ausgabe eines Empfangssignals

Info

Publication number: DE102016224509A1
Application number: DE102016224509.0A
Authority: DE
Inventors: Ralf Beuschel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2018-06-14

Abstract

Es wird eine Empfängeranordnung bzw. ein Verfahren zum Empfang wenigstens eines Lichtimpulses und zur Ausgabe eines Empfangssignals vorgeschlagen. Dabei wird das Empfangssignal zur Objektdetektion verwendet. Wenigstens zwei Auswertevorrichtungen sind zur Bestimmung einer Flugzeit des wenigstens ein Lichtimpulses vorgesehen. Die wenigstens zwei Auswertevorrichtungen verwenden jeweils zueinander unterschiedliche Auswerteverfahren. Das Empfangssignal wird aus der Flugzeit abgeleitet.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Empfängeranordnung und einem Verfahren zum Empfang wenigstens eines Lichtimpulses und zur Ausgabe eines Empfangssignals nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
Aus US 9,285,464 B2 ist es bekannt, dass für die Fahrzeugumfeldüberwachung ein sogenanntes LiDAR-Gerät verwendet werden kann.
Die erfindungsgemäße Empfängeranordnung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Empfang wenigstens eines Lichtimpulses und zur Ausgabe eines Empfangssignals mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass nunmehr zwei Auswertevorrichtungen mit jeweils zueinander unterschiedlichen Auswerteverfahren verwendet werden. Die Verwendung von zwei Auswerteverfahren hat den Vorteil, dass damit unterschiedliche Messbereiche erfasst werden können und damit die einzelnen Auswerteverfahren bzw. Auswertevorrichtungen einfacher und günstiger ausgestaltet sein können, denn es können kleinere Bauteile bspw. Analog-Digital-Wandler mit geringerer Quantisierungsauflösung und insgesamt eine geringere Dynamik eingesetzt werden, weil eine Auswertevorrichtung mit dem entsprechenden Verfahren nur noch einen Teilbereich des gesamten Messbereichs erfasst. Sollten die Auswerteverfahren parallel laufen ist damit eine höhere Redundanz und damit im Nachhinein eine höhere Messgenauigkeit möglich, um bspw. Messergebnisse zu plausibilisieren oder genauer auszugestalten.
Die erfindungsgemäße Empfängeranordnung weist wenigstens ein lichtempfindliches Element zum Empfangen von wenigstens einem Lichtimpuls auf. Bei dem wenigstens einem lichtempfindlichen Element kann es sich um eine Photodiode bspw. eine Pindiode oder um eine Photon-Lawinendiode bzw. eine sogenannte Single-Photon-Avalanche-Diode handeln. Insbesondere ist es auch möglich, einen sogenannten Siliziumphotomultiplier einzusetzen, der aus einer Mehrzahl von lichtempfindlichen Lawinendioden besteht. Diese Lawinendioden können in Zeilen oder in Matrizen angeordnet sein. Auch andere lichtempfindliche Elemente sind vorliegend möglich.
Unter dem Lichtimpuls wird insbesondere ein Laserimpuls verstanden, der von einer Sendevorrichtung ausgesendet wird mittels eines bspw. Halbleiterlasers oder Laserarrays, wobei eben auch mehrere Lichtimpulse bzw. Laserimpulse versendet werden können. Mit solchen Laserimpulsen ist es insbesondere möglich, die sogenannte Flugzeit also die Time-of-flight zu messen, um damit eine Objektentfernung abzuleiten. Es wird damit also die Flugzeit des Laserimpulses von der Sendevorrichtung zum Objekt und dann der reflektierte Laserimpuls vom Objekt zur Empfängeranordnung gemessen. Die halbe Flugzeit ist mithin die Zeit, die der Laserimpuls von der Sendevorrichtung zum Objekt benötigt, wenn die Sendevorrichtung und die Empfängeranordnung nahe beieinander angeordnet sind. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein solches System, das als Lidar bezeichnet wird, in einem Fahrzeug angeordnet ist, um Entfernungen von Objekten zu dem Fahrzeug zu messen. Dies ist beispielsweise für Fahrzeugfunktionen für autonomes Fahren oder auch teilautonomes Fahren oder auch nur Warnungen für den Fahrer anwendbar. Solche Lidarsysteme sind, wenn es um Entfernungsmessungen geht, jedoch allgemein anwendbar.
Das Empfangssignal, das zur Objektdetektion verwendet wird, könnte bspw. ein Signal sein, das bereits diese Time-of-flight-(Flugzeit)-Information aufweist. Es sind aber auch alle anderen möglichen Ableitungen möglich, die das Empfangssignal sein können.
Bei den beiden Auswertevorrichtungen kann es sich um in Silizium vorhandenen Digitalschaltungen handeln, die die unterschiedlichen Auswerteverfahren beinhalten. Die Auswertevorrichtungen können jedoch neben einer hardwaremäßigen Ausführung auch auf einem Prozessor implementiert sein und demnach softwaremäßig die Auswerteverfahren ausführen.
Die Flugzeit des Lichtimpulses ist wie oben dargestellt die der Lichtimpuls benötigt, um von der Sendevorrichtung zum Objekt und wieder zurück zur Empfängeranordnung gelangen.
Bei den beiden unterschiedlichen Auswerteverfahren kann es sich wie in den abhängigen Ansprüchen ausgeführt, um eine sogenannte Zeit-Digital-Wandlung (Time-todigital-convertor) und um eine zeitkorrelierte Photonenzählung handeln, die im Gegensatz zur zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung (Time-correlated-single-photoncounting = TCSPC) mehrere Photonen zählt und vorzugsweise Lawinenphotodioden verwendet.
Wie dargestellt kann das Empfangssignal aus der Flugzeit, die mit dem Auswerteverfahren bestimmt wird, abgeleitet werden.
Die beiden Auswerteverfahren sind nicht die gleichen, wobei es sich um ein gleiches Verfahren handeln kann, das aber andere Parameter aufweist.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen, der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Empfängeranordnung bzw. des in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Verfahrens, möglich.
Vorteilhaft ist, dass die unterschiedlichen Auswerteverfahren wie oben angegeben entweder eine Zeit-Digital-Wandlung und eine zeitkorrelierte Photonenzählung sind.
Eine Zeit-Digital-Wandlung ist ein Verfahren, um eine Zeit beispielsweise zwischen zwei Impulsen zu bestimmen und in ein Digitalwort umzusetzen. Dazu kann bspw. ein Zähler verwendet werden, der durch ein Start- und ein Stoppsignal bspw. des empfangenen Lichtimpulses bzw. des ausgesendeten Lichtimpulses aktiviert wird. Um den Fehler zu Beginn und zu Ende des durch den Zähler ermittelten Zählerstandes zu bestimmen, wird eine sogenannte Interpolation verwendet. Dazu kann eine Verzögerungsschaltung verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, zwei zueinander verstimmte Oszillatoren zu verwenden oder eine sogenannte Überabtastung bspw. eine Vierfach-Überabtastung zu verwenden und damit das Signal abzutasten. Durch den Zählerstand und die Werte, die aus der Interpolation gewonnen werden zu Beginn der Zählung und zu Ende der Zählung, kann dann die Zeit und damit die Flugzeit genau gemessen werden.
Der Vorteil dieser Methode besteht in der hohen zeitliche Auflösung von ca. 100 ps. Dies entspricht einer Abtastrate von 10 GHz oder einer Distanzmessgenauigkeit von 1,5 cm.
Bei der zeitkorrelierten Photonenzählung werden einzelne Photonen der Lichtimpulse detektiert und gezählt und in ein Histogramm eingetragen und zwar an welcher Stelle, in zeitlicher Hinsicht gesehen, das oder die Photonen auftreten. Das Aussenden des Lichtimpulses und die Zählung werden viele Male wiederholt. Dadurch gelingt eine sehr genaue Zeitmessung des Laserimpulses. Bspw. wird ein Objekt von einer Sendeeinrichtung mit vielen Photonen getroffen, die dann durch die Empfängeranordnung empfangen werden. Durch das häufige Wiederholen dieser Photonenbestimmung ist es möglich, den Lichtimpuls bzgl. seiner Flugzeit genau zu bestimmen. Dafür kann bspw. eine Analog-Digital-Wandlung verwendet werden und insbesondere werden die gemessenen Photonenzeiten in ein Histogramm in einem Speicher eingetragen und dann am Ende durch eine Logik wird das Maximum festgestellt. Vorliegend ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, einen schnellen Analog-Digital-Wandler mit einer zeitlichen Auflösung von 500MHz bis 2 GHz zu verwenden. Dies kann kostengünstig mit einem sogenannten logarithmischen Flash-Analog-Digital-Wandler verwirklicht werden. Hierbei wird eine Spannung auf eine Serienschaltung von Widerständen gelegt, wobei an den Widerständen Eingänge zu Komparatoren geschaltet sind. Solch eine Serienschaltung wird im Englischen mit voltage ladder bezeichnet.
Ein Vorteil dieser Methode ist, dass mit der zeitkorrelierten Photonenzählung schwache Empfangssignale von weit entfernten Objekten detektiert werden können. Durch die mehrfache Wiederholung der Messung und Akkumulierung in einem Histogramm kann das Nutzsignal gegenüber dem störenden Umgebungslicht angehoben werden, allderings ist die Realisierung einer hohen Abtastrate in der Größenordnung 10 GHz nicht kostengünstig realisierbar.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass eine der wenigstens zwei Auswertevorrichtungen wenigstens zwei Zeit-Digital-Wandler hat. Mit den beiden Zeit-Digital-Wandlern können dann unterschiedliche Messgrößen erfasst werden. Der eine kann wie oben beschrieben dazu verwendet werden, die Flugzeit zu bestimmen. Der andere jedoch kann dazu verwendet werden, die Energie des Signals zu messen insbesondere, wenn eine analoge Ausgabe von dem lichtempfindlichen Element erfolgt, sodass auch die Amplitude hinsichtlich Informationen ausgewertet werden kann. Dazu kann insbesondere auch die Ladung gemessen werden bspw. durch eine IntegratorSchaltung. In der Amplitude kann zum Beispiel die Information über die Reflektivität eines Objekts enthalten sein.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass das wenigstens eine lichtempfindliche Element eine Lawinendiode oder eine Single-Photon-Lawinendiode oder eine Photodiode oder ein Siliziumphotomultiplier ist. Dies sind Beispiele, die sehr vorteilhaft für das lichtempfindliche Element eingesetzt werden können. Es sind jedoch auch andere lichtempfindliche Elemente möglich.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass in Abhängigkeit von einer Eigenschaft von einem abgeleiteten Ausgangssignal des wenigstens ein lichtempfindlichen Elements entweder die Zeit-Digital-Wandlung oder die zeitkorrelierte Photonenzählung verwendet wird. Hier kann insbesondere eine Schwellwertauswertung zu Beginn bspw. der Zeit-Digital-Wandlung dafür sorgen, dass nur solche Signale bzgl. der Zeit-Digital-Wandlung ausgewertet werden, die einen bestimmten Schwellwert überschreiten. Diese Signale, die unterhalb des Schwellwerts liegen, werden dann von der zeitkorrelierten Einphotonenzählung ausgewertet.
Daher ist es vorteilhaft, dass die Eigenschaft eine Signalamplitude ist. Beispielsweise wird bei der Verwendung eines Siliziumphotomultipliers bei einer Aktivierung von 4-10 lichtempfindlichen Elementen ein Schwellwert überschritten und dann kann die Zeit-Digitalwandlung einsetzen. Hintergrundrauschen wird so unterdrückt. Die Signalamplitude repräsentiert letztlich die Signalenergie, so dass alle möglichen Ableitungen der Signalamplitude vorliegend verwendet werden können.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Zeit-Digital-Wandler wenigstens zwei Komparatoren zur Definition eines Zeitabschnitts aufweist. Der Zeit-Digital-Wandler weist zwei Start-Stopp-Komparatoren auf. D.h. überschreitet das Signal einen gewissen Schwellwert, reagiert der Startkomparator und unterschreitet es wieder das Signal diesen Schwellwert reagiert der Stoppkomparator. Damit ist ein Zeitfenster definiert - ein sogenanntes Time-over-Threshold-Signal (TOT). Die Dauer dieses TOT-Impulses ist ein Indikator für die Signalenergie. Mit der Signalenergie kann weiterhin ausgewertet werden, ob die Zeitmessung, die mit Zeit-Digital-Wandler stattgefunden hat, überhaupt signifikant ist. Mit dem TOT-Signal kann insbesondere die Zeitdauer für die Ladungsmessung durch wie oben angegeben eine analoge Integration vorgegeben werden.
Vorteilhafterweise zeichnet sich die zeitkorrelierte Einphotonenzählung durch einen Analog-Digital-Wandler aus. Dieser Analog-Digital-Wandler kann eine logarithmische Auflösung aufweisen. Vorteilhaft ist eine Verwendung eines sogenannten Flash-Analog-Digital-Wandlers, bei dem für jeden Ausgangswert ein Komparator verwendet wird. Dies führt zu einer besonders schnellen Analog-Digital-Wandlung.
Durch die in der Zeichnung dargestellten Empfängeranordnung bzw. Verfahren wird die Erfindung beschrieben hinsichtlich Ausführungsbeispielen. Es zeigen 1 ein erstes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Empfängeranordnung mit Sendeeinrichtung, Figur zwei ein erstes Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens, 3 eine Ausführungsform einer Zeit-Digital-Wandlung, 4 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Zeit-Digital-Wandlung, 5 eine Verzögerungsleitung einer Zeit-Digital-Wandlung, 6 eine Überabtastungseinrichtung für eine Zeit-Digital-Wandlung, 7 ein Blockschaltbild einer zeitkorrelierten Photonenzählung, 8 eine Integratorschaltung, 9 ein Blockschaltbild mit einer zweikanaligen Zeit-Digital-Wandlung, 10 eine Schaltung für eine zeitkorrelierte Photonenzählung und 11 ein weiteres Blockschaltbild einer Zeit-Digital-Wandlung.
1 zeigt in einem Blockschaltbild die erfindungsgemäße Empfängeranordnung mit einer Sendevorrichtung. Diese Anordnung kann beispielsweise einfach oder mehrfach in einem Fahrzeug insbesondere im Bereich der Fahrzeugfront angeordnet sein. Damit kann dann das Umfeld des Fahrzeugs für eine Umfeldinterpretation nach Objekten untersucht werden.
Ein Pulsgenerator PG steuert einen Laser L an, der einen Laserimpuls LI auf ein Objekt O entsendet. Durch den Pulsgenerator kann insbesondere der am Laser L befindliche Lasertreiber angesteuert werden, der dann den Laser L zur Emission des Laserimpulses LI treibt. Bei dem Laser L handelt es sich um einen oder mehrere Halbleiterlaser, die infrarotes Licht emittieren. Auch sichtbares Licht ist möglich.
An dem Objekt O wird der Laserimpuls LIR reflektiert und vom lichtempfindlichen Element LE empfangen. Das Objekt ist beispielsweise ein anderes Fahrzeug, ein Fußgänger, Radfahrer oder ein anderes Objekt.
Das lichtempfindliche Element LE wird über die Ansteuerung A angesteuert bspw. durch das Anlegen einer Sperrspannung bei einer Lawinendiode, um das lichtempfindliche Element LE in einen empfangsbereiten Zustand zu versetzen. Dies kann zum einen elektronisch geschehen: Die Ansteuerung A wird vom Pulsgenerator PG getriggert, der auch den Laser ansteuert, sodass das lichtempfindliche Element LE über die Ansteuerung A zeitkorreliert angesteuert wird. Insbesondere wenn es sich um mehrere lichtempfindliche Elemente LE handelt, kann so durch die Information des Pulsgenerators PG bereits eine entsprechende Ansteuerung der relevanten lichtempfindlichen Elemente stattfinden. Durch eine Mehrzahl von solchen lichtempfindlichen Elementen kann ein sogenannter Siliziumphotomultiplier realisiert werden. Dabei sind die lichtempfindlichen Elemente insbesondere Lawinendioden, deren Ausgangssignale additiv zusammengefasst werden. Es handelt sich hierbei um analoge Ausgangssignale.
Eine Alternative zur elektronischen Ansteuerung des lichtempfindlichen Elements ist die optische Ansteuerung. Hierbei kann ein Teil des vom Laser emittierten Lichts über einen Lichtleiter oder Reflexion zum lichtempfindlichen Element LE geleitet werden und damit der Start Zeitpunkt der Laufzeitmessung festgestellt werden.. Das hat den Vorteil, dass Latenzzeiten in der Elektronik vermieden werden.
Das Ausgangssignal des lichtempfindlichen Elements LE wird einem Verstärker V zugeführt, der das Signal verstärkt. Nicht dargestellte Filter können ebenso verwendet werden. Der Verstärker V kann aus mehreren Stufen bestehen.
Dieses verstärkte Signal wird dann auf die beiden Auswerteeinrichtungen A1 und A2 gegeben, auf dem die zueinander unterschiedlichen Auswerteverfahren ablaufen. Die beiden Auswertevorrichtungen A1 und A2 werden ebenfalls vom Pulsgenerator PG angesteuert, um mit dieser Information die Auswerteverfahren zu versorgen. Die Ausgangssignale der Auswerteeinrichtungen A1 und A2 gehen auf eine Objektdetektion OD, die letztlich das Objekt dann charakterisiert.
Handelt es sich bei einem der Auswerteverfahren um eine unten näher dargestellte Zeit-Digital-Wandlung, so kann diese beispielsweise erst ab einem Ausgangssignal einsetzen, das eine Auslösung von mindestens 4 bis 10 Lawinendioden repräsentiert, wobei die Lawinendioden wie oben beschrieben einen Siliziumphotomultiplier bilden. Dafür ist dann ein Schwellwertentscheider vorgesehen.
2 zeigt in einem Flussdiagramm das erfindungsgemäße Verfahren. Im Verfahrensschritt 200 wird der Lichtimpuls LIR empfangen, der zuvor durch den Laser L als Lichtimpuls LI ausgesendet wurde und am Objekt O zumindest teilweise reflektiert wurde.
Im Verfahrensschritt 201 bestimmt zumindest eine der beiden Auswertevorrichtungen A1 und A2, die Flugzeit, die Time-of-flight (TOF). Dies wird aus der Information über das Aussenden des Lichtimpulses und der des Empfangs des Lichtimpulses bestimmt. Im Verfahrensschritt 202 wird aus dieser Flugzeit dann das Empfangssignal abgeleitet. Das kann dann beispielsweise die Entfernung zu dem Objekt sein. Dies kann in einfacher Weise aus der Lichtgeschwindigkeit und der Flugzeit bestimmt werden.
3 zeigt eine einfache Ausführungsform einer Zeit-Digital-Wandlung. Ein Start- und ein Stoppsignal können an einen Pulsgenerator PG1 angelegt werden. Das Startsignal wird von dem Aussenden des Lichtimpulses abgeleitet, insbesondere aus dem Signal des Pulsgenerators PG aus 1 oder dem optischen Referenzsignal. Das Stoppsignal aus dem empfangenen Lichtimpuls, mithin dem Ausgangssignal aus dem Verstärker V.
Dieses Zeitintervall, das durch das Start- und das Stoppsignal definiert wird, definiert die Länge des Impulses, das der Pulsgenerator PG1 ausgibt. Dieser Impuls wird einem Integrator I zugeführt, der den Impuls integriert, wobei dieses Signal dann einem Analog-Digital-Wandler ADC zugeführt wird, der daraus ein Digitalwort W generiert. Das Stoppsignal wird auch dem Block T zugeführt, der den Takt an den Analog-Digital-Wandler ADC weitergibt. Damit sind sehr kurze Zeiten im Pikosekundenbereich messbar. Bei grundsätzlich längeren Zeiten im Nanosekundenbereich ist ein Zähler ausreichend.
Prinzipiell wird damit zunächst eine Zeit durch das Start- und Stoppsignal in eine Spannung gewandelt und in einem zweiten Schritt wird diese Spannung durch einen Analog-Digital-Wandler digitalisiert.
4 erläutert in einem Zeit-/Signaldiagramm, wie ein Zeit-Digital-Wandler funktioniert. Es gibt ein Startsignal - mit Start bezeichnet - und ein Stoppsignal - mit Stopp. Die Zeit zwischen der Flanke des Startsignals und der Flanke des Stoppsignals ist in unserem Beispiel die Flugzeit TOF. Weiterhin gibt es ein Taktsignal - mit Clock bezeichnet, das einen periodischen Takt zuführt, um die Signalverarbeitung zu steuern. Da die Flanke des Start- und des Stoppsignals nicht genau mit einem Taktsignal Clock übereinstimmt, gibt es für einen Zähler eine gewisse Differenz am Anfang und am Ende. Die aufsteigende Flanke des Startsignals bis zum Start des Zählers wird hier mit Δt₁ bezeichnet. Denn der Zähler beginnt erst zu zählen mit der aufsteigenden Flanke des nach dem Startsignal auftretenden Taktimpulses. Aber das Startsignal ist schon um die Zeit Δt₁ vergangen, d. h. hier wird diese Zeit nicht gemessen nämlich die Δt_1. Wenn das Stoppsignal kommt, ist bereits eine aufsteigende Flanke eines Taktsignals vergangen und bis die nächste aufsteigende Flanke des Taktsignals Clock kommt, zählt der Zähler seinen vollen Wert hier vier zu Ende. D.h. die Zeit Δt₂ von der aufsteigenden Flanke des Stoppsignals bis zur nächsten aufsteigenden Flanke des Taktsignals wird zu viel gezählt. Daher ist die richtige Zeit TOF der Zählerstand - Δt₂ + Δt₁. Um einen digitalen Zeit-Digital-Wandler zu bauen, braucht es nun diesen Zähler und weiterhin Interpolatoren, die die Zeiten Δt₁ bzw. Δt₂ erfassen.
Dafür wird in 5 eine sogenannte Verzögerungsschaltung vorgeschlagen. Das Start- bzw. Stoppsignal wird einer Inverterkette т₁ bis т_n zugeführt. An die Ausgänge der einzelnen Inverter т₁ bis т_n sind typische Register D1 bis Dn angeschlossen. Diese Register werden weiterhin überein ein Takt CLK versorgt. Je nach Start- und Stoppsignal ist die entsprechende Flanke in der Inverterkette т₁ bis т_n weitergewandert und kann dann über die Register D1 bis Dn als Digitalwort ausgelesen werden. Damit werden Δt₁ und Δt₂ bestimmt.
Eine alternative Ausführungsform zu dieser Verzögerungsleitung zeigt 6 - nämlich eine Vierfach-Abtastung des Signals. Das Start-Stopp-Signal wird dabei 4 Registerketten 600 bis 603, 604 bis 607, 608 bis 611 und 612 bis 615 zugeführt. Diese weisen jeweils einen phasenverschobenen Takt um 90° auf. An den Ausgängen der Registerketten 01, 02, 03 und 04 kann dann Δt₁ bzw.Δt₂ bestimmt werden.
7 zeigt als Blockschaltbild eine Zeit-Digital-Wandlung. Das Start-Stopp-Signal und der Takt CLK werden in einen Baustein B gegeben, der anhand des Startsignals mit der nächsten aufsteigenden Flanke des Taktsignals Clock den Counter C startet. Für die eben besprochenen Δt₁ und Δt₂ aktiviert der Baustein B den Interpolator INT, der in der vorgeschriebenen Weise dann Δt₁ und Δt₂ bestimmt. Der Zählerstand und die Ausgabe des Interpolators INT werden im Baustein L derart verknüpft, dass die Flugzeit daraus bestimmt wird.
8 zeigt eine Integratorschaltung zur Integration der Ladung. Vor Beginn der Messung ist der Kondensator 83 zu entladen, bspw. durch das Legen des Schalters 81 auf Masse. Wie oben dargestellt wird die Signalamplitude, die vom lichtempfindlichen Element nach dem Verstärker erhalten wird, mit einem Schwellwert verglichen. Wird dieser Schwellwert überschritten und dann auch wieder unterschritten, wird damit eine Time-over-threshold (TOT) bestimmt. In dieser Zeit wird das Signal aus dem lichtempfindlichen Element und dem Verstärker 80 durch die vorliegende Integratorschaltung integriert, um eine Ladungsintegration vornehmen zu können. Während der Schwellwert überschritten wird, also während der Zeit TOT, der Schalter 81 geschlossen. Damit kann das Signal 80 über die Integratorschaltung bestehend aus dem Verstärker 82 und dem Kondensator 83 integriert werden, wobei dieses Signal dann am Kontakt 84 entnommen werden kann. Aus der integrierten Ladung können letztlich Aussagen über die Objektdetektion gemacht werden.
9 zeigt in einem Blockschaltbild eine zweikanalige Zeit-Digital-Wandlung. Durch den Verstärker 90 wird das Signal vom lichtempfindlichen Element verstärkt und geht auf den Block in den Diskriminator D1 und den Integrator D2. Der Integrator D2 kann wie oben dargestellt, ausgebildet sein. Mit dem Diskriminator D1 wird das Intervall über einem Schwellwert Time-over-Threshold (TOT) definiert. Mit der nachfolgenden Zeit-Digital-Wandlung TDC1 wird dabei die Zeit-Digital-Wandlung vorgenommen also die Flugzeit bestimmt, während mit der zweiten Zeit-Digital-Wandlung TDC2 die Ladungsintegration, wie oben dargestellt, durchgeführt wird. Anhand der Ladungsintegration kann bestimmt werden, ob die Zeitbestimmung mit TDC1 relevant ist. Dies wird in Block SL durchgeführt, der dann auch die Flugzeit bestimmt. Dabei steuert der Diskriminator D1 den Integrator D2 derart, dass ein Schalter im Integrator D2 geschlossen wird, um den Kondensator im Integrator D2 aufzuladen. Nach TOT entlädt sich der Kondensator und die Zeit-Digital-Wandlung TDC2 misst die Entladungszeit und damit die Ladung.
Um nur die TOT zu bestimmen, ist nur ein Diskriminator erforderlich, wobei das Überschreiten des einen Schwellwerts, die Flugzeitmessung mit TDC1 dann stoppt.
10 zeigt ein Schaltbild eines schnellen Analog-Digital-Wandlers ADC, der für die zeitkorrelierten Photonenzählung verwendet werden kann. Das lichtempfindliche Element SIPM vorliegend also ein Siliziumphotomultiplier wird mit einer Vorspannung V_BIAS beschlagen, wobei das lichtempfindliche Element auf der anderen Seite über R1 gegen Masse geschaltet ist. Die Spannung, die über R1 abfällt, ist die Ausgangsspannung des lichtempfindlichen Elements und wird über den Verstärker AMP1 verstärkt. Dieses Signal geht auf den Analog-Digital-Wandler, der vorliegend vierstufig ausgebildet ist. Dabei wird eine Spannung V+ über eine Widerstandskette bestehend aus den in Reihe geschalteten Widerständen R2, R3, R4 und R5 gegen Masse mit dem Ausgangssignal des Verstärkers AMP1 verglichen. Diesen Vergleich führen die Komparatoren C1, C2, C3 und C4 durch. C4 steht hierbei für das niederwertigste Bit und C1 für das höchstwertige Bit. Diese Analog-Digital-Wandlung geht in Register REG1, REG2, REG3 und REG4, die an die jeweiligen Komparatoren C1, C2, C3 und C4 angeschlossen sind. Die Register tasten die Komparatorsignale C1 bis C4 zeitgleich mit einem Taktsignal CLK ab. Das Ausgangssignal der Register REG1, REG2, REG3 und REG4 wird in einer Binärumwandlung BC zu einem Digitalwort umgewandelt. Dies kann dann zur Bestimmung der empfangenen Photonen verwendet werden und wird in ein Histogramm geschrieben. Diese Messung wird vielfach wiederholt, um dann aus dem Histogramm das Maximum zu identifizieren, das der Flugzeit entspricht.
11 zeigt eine Variante zur Ausführungsform einer zeitkorrelierten Photonenzählung und weist den Baustein ADC1 auf, also eine Analog-Digital-Wandlung. Diese arbeitet mit hoher Abtastrate, bspw. 1 GHz. Sie tastet die Amplitude des Signals des Verstärkers AMP ab, die das Ausgangssignal des Siliziumphotomultipliers SIPM am Widerstand R1 verstärkt.
Zu Beginn eines Messzyklus werden alle Speicherstellen des Histogrammspeichers HS mit dem Wert „0“ initialisiert. Nachfolgend werden mehrere Einzelmessungen durchgeführt deren Ergebnisse im Histogrammspeicher HS addiert werden.
Die Addition der Messwerte erfolgt zeitkorreliert bezogen auf das Aussenden des Lichtsignals. Dies wird durch den Indexgenerator IG erreicht, der mit der Abtastrate des AD-Wandlers jeweils um einen Indexwert erhöht wird. Der Zähler wird duch den Startimpuls, welcher durch den Pulsgenerator PG oder den optischen Referenzkanal bereitgestellt wird, zurückgesetzt. Der Indexwert des Zählers entspricht also einer Flugzeitinformation.
In jedem Taktzyklus wird der vorherige Wert HW des Histogrammspeichers ausgelesen und es wird der aktuelle Wert des AD-Wandlers durch die Addiereinheit „ADD“ dazu addiert. Das Ergebnis der Addition wird an dieselbe Indexstelle im Histogrammspeicher HS zurückgeschrieben. Der Wert des AD-Wandlers entspricht der abgetasteten Amplitudeninformation zu einem gewissen Zeitpunkt einer einzelnen Messung. Bei einem logarithmischen AD-Wandler werden die entsprechenden Binärwerte in linearer Darstellung im Histogrammspeicher HS akkumuliert.
Nach einer vorgegebenen Zeitdauer entsprechend der maximalen Messdistanz wird der Zähler gestoppt. Durch das Aussenden eines weiteren Lichtpulses kann eine weitere Messung gestartet werden.
Nach einer festgelegten Anzahl an Messungen wird die Messwerterfassung gestoppt. Anschließend werden mit der Verarbeitungseinheit Maximumsuche MS die Indexstellen eines oder mehrerer Maxima in dem Histogram ermittelt. Dafür stellt die MS Verarbeitungseinheit ein Indexsignal zur Verfügung und liest die Histogramwerte HW aus dem Histogrammspeicher aus. Anhand der Indexstelle eines Maximums kann auf die Flugzeit und damit die Distanz zu einem Objekt geschlossen werden.
Die beschriebene Ausführung mit einem logarithmischen AD-Wandler bietet den Vorteil, dass dieser eine hohe Abtastrate mit wenigen Komparatoren realisieren kann. Durch die mehrfache Wiederholung der Messung mittels der zeitkorrelierten Photonenmessung wird die Auflösung der Amplitudenabtastung verbessert und es können auch Objekte mit schwacher Reflektivität oder in großer Distanz vermessen werden.
Zu beachten ist, dass bei den genannten Messverfahren mehrere Signale pro Lichtpuls auftreten, bspw. wenn der Lichtstrahl groß ist und mehrere Objekte trifft oder eine Fensterscheibe passiert.
Bezugszeichenliste

PG: Pulsgenerator
L: Laser
LI: Laserimpuls
LIR: reflektierter Laserimpuls
O: Objekt
LE: lichtempfindliches Element
A: Ansteuerung
V: Verstärker
A1, A2: Ansteuerung
OD: Objektdetektion
200-202: Verfahrensschritte
PG1: Pulsgenerator
I: Integrator
ADC,1: Analog-Digitaler-Wandler
T: Taktgeber
W: Digitalwort
T: Inverter
D: Register
600-615: Register
O1-4: Ausgänge
Q1-Q4: Ausgänge
B: Baustein
C: Zähler
Int: Interpolator
TOF: Flugzeit
L: Logik
80: Eingang
81: Schalter
82: Verstärker
83: Kondensator
84: Ausgang
90: Verstärker
D1, D2: Diskriminator
TDC1,2: Zeit-Digital-Wandler
SL: Block
SIPM: lichtempfindliches Element
R1-5: Widerstand
AMP1: Verstärker
C1-4: Komparator
REG1-4: Register
BC: Binärumwandlung
TDC: Zeit-Digital-Wandler
M: Speicher
ADD: Addierer
HS: Histogrammspeicher
MS: Maximumsuche
IG: Indexgenerator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9285464 B2 [0002]

Claims

Empfängeranordnung mit wenigstens einem lichtempfindlichen Element (LE) zum Empfang von wenigstens einem Lichtimpuls (LI) und zur Ausgabe eines Empfangssignals, das zur Objektdetektion verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Auswertevorrichtungen (A1, A2) jeweils zur Bestimmung einer Flugzeit des wenigstens ein Lichtimpulses (LI) vorgesehen sind, wobei die wenigstens zwei Auswertevorrichtungen (A1, A2) jeweils zueinander unterschiedliche Auswerteverfahren verwenden, dass das Empfangsssignal aus der Flugzeit abgeleitet wird.
Empfängeranordnung in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Auswerteverfahren eine Zeit-Digital-Wandlung und eine zeitkorrelierte Photonenzählung sind.
Empfängeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der wenigstens zwei Auswertevorrichtungen (A1, A2) wenigstens zwei Zeit-Digital-Wandler hat.
Empfängeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine lichtempfindliche Element (LE) eine Lawinendiode oder eine Single-Photon-Lawinendiode oder eine Photodiode oder ein Siliziumphotomultiplier ist.
Empfängeranordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einer Eigenschaft von einem abgeleiteten Ausgangssignal des wenigstens ein lichtempfindlichen Elements (LE) entweder die Zeit-Digital-Wandlung oder die zeitkorrelierte Photonenzählung verwendet wird.
Empfängeranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft eine Signalamplitude ist.
Empfängeranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeit-Digital-Wandler wenigstens einen Komparator zur Definition eines Zeitabschnittes aufweist.
Empfängeranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der wenigstens zwei Zeit-Digitalwandler zur Bestimmung einer elektrischen Ladung vorgesehen ist.
Empfängeranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitkorrelierte Photonenzählung einen Analog-Digital-Wandler aufweist.
Verfahren zum Empfang wenigstens eines Lichtimpulses und zur Ausgabe eines Empfangssignals, was zur Objektdetektion verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels wenigstens einer von zwei Auswertevorrichtungen (A1, A2) eine Flugzeit des wenigstens ein Lichtimpulses (LI) bestimmt wird, wobei die wenigstens zwei Auswertevorrichtungen (A1, A2) jeweils zueinander unterschiedliche Auswerteverfahren verwenden, dass das Empfangssignal aus der Flugzeit abgeleitet wird.