DE102019135771B4

DE102019135771B4 - Vorrichtung und Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts

Info

Publication number: DE102019135771B4
Application number: DE102019135771.3A
Authority: DE
Inventors: Frank Höller
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2039-12-24
Also published as: DE102019135771A1

Abstract

Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, mit• wenigstens einer Lichtquelle (110) zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz;• einem dispersiven Element (131), welches eine Winkelverteilung eines aus dem optischen Signal hervorgegangenen Messsignals bewirkt, wobei Teilsignale des Messsignals unter voneinander verschiedenen Abstrahlwinkeln zu dem Objekt (140) gelenkt werden;• einer Auswerteeinrichtung (160) zur Ermittlung von Werten des Abstandes des Objekts (140) auf Basis von jeweils aus einer Überlagerung der an dem Objekt (140) reflektierten Teilsignale mit einem nicht an dem Objekt (140) reflektierten Referenzsignal resultierenden Schwebungsfrequenzen; und• einer Speichereinheit zur Speicherung der Messzeitpunkte unterschiedlicher Schwebungsfrequenzen;• wobei die Auswerteeinrichtung (160) dazu ausgelegt ist, auf Basis der gespeicherten Messzeitpunkte nachträglich eine eindeutige Zuordnung zwischen aus den jeweils gemessenen Schwebungsfrequenzen resultierenden Abstandswerten und den zu diesen Abstandswerten gehörenden Orten auf dem Objekt (140) vorzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung ferner dazu eingerichtet ist,• die Messung in mehrere Abstandsintervalle zu unterteilen, denen unterschiedliche Orte auf dem Objekt (140) zugeordnet sind, undeine in einem Abtastintervall gemessene Schwebungsfrequenz einem Ort zuzuweisen, der einem n- Abtastintervalle älteren Abtastintervall zugeordnet ist, wobei n=0,1,2,.. ist und proportional mit zunehmender Schwebungsfrequenz ansteigt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung können zur Ermittlung von Abständen sowohl bewegter als auch unbewegter Objekte und insbesondere zur Ermittlung der Topographie bzw. Form eines räumlich ausgedehnten dreidimensionalen Objekts verwendet werden.
Stand der Technik
Zur optischen Abstandsmessung von Objekten ist u.a. ein auch als LIDAR bezeichnetes Messprinzip bekannt, bei welchem ein optisches Signal, bei dem die Frequenz kontinuierlich - in einer bevorzugten Form linear - zeitabhängig verändert wird, zu dem betreffenden Objekt hin ausgestrahlt und nach an dem Objekt erfolgter Rückreflexion ausgewertet wird. Dabei wird der Abstand des Objekts von der Messvorrichtung auf Basis der zu einem bestimmten Zeitpunkt erfassten Differenzfrequenz zwischen dem am Objekt reflektierten Messsignal und einem nicht am Objekt reflektierten Referenzsignal ermittelt.
In der Praxis besteht ein Bedarf, auch bei in größeren Abständen befindlichen (ggf. auch bewegten) Objekten, bei welchen es sich z.B. um Fahrzeuge im Straßenverkehr handeln kann, eine möglichst genaue und zuverlässige Abstandsmessung zu realisieren.
Ein hierbei auftretendes Problem ist, dass die bei Durchführung des Scanprozesses realisierbare maximale Scangeschwindigkeit durch die Licht- bzw. Signallaufzeit (tof = „time of flight“) begrenzt ist, wobei diese Laufzeit bei einer beispielhaften Distanz von 150m eine Mikrosekunde (µs) beträgt. Bei einer typischen, zur Signalauswertung pro Bildpunkt bzw. Pixel erforderlichen Zeitspanne von etwa 2µs ergibt sich eine maximale Datenrate von 500kHz bzw. 500kPixel/s. Die auf diese Weise bei einer Framerate von 25Hz erzeugbaren, etwa 20kPixel umfassenden Bilder sind für typische Anwendungen wie z.B. im Straßenverkehr zu grob.
Ein grundsätzlich in Betracht kommender paralleler Einsatz mehrerer LIDAR-Systeme (mit jeweils kleinerem Feld) führt zu einer unerwünschten Vergrößerung der Komplexität und des Kostenaufwandes sowie gegebenenfalls auch zu einem erhöhten Bauraumbedarf.
Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf US 2016 / 0 299 228 A1 verwiesen.
Aus der US 2018 / 0 024 246 A1 ist ein LIDAR-Messsystem mit Gitterkopplern bekannt, die das Messlicht wellenlängenabhängig in unterschiedliche Richtungen emittieren.
Die US 10 340 651 B1 offenbart ein LIDAR-Messsystem, bei dem optische Auslöseimpulse verwendet werden, um einen Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem ein Entfernungsimpuls ausgesendet wird.
In der US 2018 / 0 275 249 A1 sind unterschiedliche Scanmuster beschrieben, die von einem LIDAR-Messsystem erzeugt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts bereitzustellen, welche auch für ein in vergleichsweise großer Entfernung (z.B. von mehreren 100m) befindliches Objekt eine möglichst genaue und zuverlässige Abstandsmessung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Vorichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. das Verfahren gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 7 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts weist folgende Schritte auf:

- Aussenden, unter Verwendung wenigstens einer Lichtquelle, eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz;
- Erzeugen einer Winkelverteilung eines aus dem optischen Signal hervorgegangenen Messsignals durch ein dispersives Element, wobei Teilsignale des Messsignals unter voneinander verschiedenen Abstrahlwinkeln zu dem Objekt gelenkt werden; und
- Ermitteln von Werten des Abstandes des Objekts auf Basis von jeweils einer Überlagerung der an dem Objekt reflektierten Teilsignale mit einem nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignal resultierenden Schwebungsfrequenzen;
- wobei die Messzeitpunkte unterschiedlicher Schwebungsfrequenzen gespeichert werden; und
- wobei auf Basis der gespeicherten Messzeitpunkte eine nachträgliche eindeutige Zuordnung zwischen aus den jeweils gemessenen Schwebungsfrequenzen resultierenden Abstandswerten und den zu diesen Abstandswerten gehörenden Orten auf dem Objekt vorgenommen wird
- die Messung in mehrere Abstandsintervalle unterteilt wird, denen unterschiedliche Orte auf dem Objekt zugeordnet sind, und
- wobei eine in einem Abtastintervall gemessene Schwebungsfrequenz einem Ort zugewiesen wird, der einem n Abtastintervalle älteren Abtastintervall zugeordnet ist, wobei n = 0, 1, 2, ..., ist und proportional mit zunehmender Schwebungsfrequenz ansteigt.

Gemäß einer Ausführungsform wird für eine gemessene Schwebungsfrequenz auf den zugehörigen Abstrahlwinkel des für diese Schwebungsfrequenz jeweils ursächlichen Teilsignals unter Berücksichtigung des Messzeitpunkts der betreffenden Schwebungsfrequenz und dem aus der betreffenden Schwebungsfrequenz resultierenden Abstand des Objekts zurückgerechnet.
Gemäß einer Ausführungsform liegt die Länge eines zeitlichen Abtastintervalls, über welches die Bestimmung der jeweiligen Schwebungsfrequenzen erfolgt, im Bereich von 0.1µs bis 1µs.
Der Erfindung geht zunächst von dem Konzept aus, in einer Vorrichtung zur Abstandsermittlung eines Objekts ein Abscannen des Objekts dadurch zu realisieren, dass im Signalweg noch vor dem Objekt über ein dispersives Element eine Winkelverteilung der im von einer Lichtquelle ausgesandten optischen Signal vorhandenen, unterschiedlichen Frequenzen insofern bewirkt wird, als diese Frequenzen bzw. die die jeweiligen Frequenzen aufweisenden Teilstrahlen mit unterschiedlichem Kipp bzw. unter unterschiedlichen Winkeln auf das Objekt gelenkt werden, so dass ein Abscannen des Objekts erzielt wird, ohne dass hierzu bewegliche Komponenten wie Scan- bzw. Ablenkspiegel benötigt werden.
Der erfindungsgemäße Einsatz eines dispersiven Scanners hat hierbei im Vergleich zur Verwendung beweglicher Komponenten wie Scan- bzw. Ablenkspiegel zunächst den Vorteil, dass die jeweiligen Signale aufgrund des Umstandes, dass Ausstrahl- und Empfangsrichtung jeweils wellenlängenabhängig sind und für ein- und denselben Objektort keine Wellenlängenänderung vorliegt (wobei die durch den Dopplereffekt bewirkte Frequenzverschiebung i.A. vernachlässigt werden kann), unabhängig von der Geschwindigkeit des Scanvorgangs stets in den Sender-/Empfängerkanal zurückverlaufen, also vom Objekt zurückkommendes Licht stets in den Empfänger bzw. Detektor gelangt.
Von diesem Prinzip ausgehend beinhaltet die Erfindung nun insbesondere das Konzept, für aus den wie vorstehend beschrieben erzeugten Teilsignalen und deren jeweilige Überlagerung mit dem Referenzsignal erhaltene Schwebungsfrequenzen auch den jeweiligen Zeitpunkt, zu dem die betreffende Schwebungsfrequenz gemessen wird, zu erfassen, um basierend auf dem jeweiligen Messzeitpunkt der betreffenden Schwebungsfrequenz und dem aus der betreffenden Schwebungsfrequenz resultierenden Abstand des Objekts wiederum zurückzurechnen, welcher Abstrahlwinkel - und damit welcher Ort auf dem Objekt - der Schwebungsfrequenz bzw. dem daraus resultierenden, ermittelten Abstand des Objekts zuzuordnen ist.
Im Ergebnis kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jeder Schwebungsfrequenz (bzw. jedem Frequenzpeak im FourierSpektrum des erhaltenen Überlagerungssignals) eindeutig sowohl ein Objektabstand als auch ein Abstrahlwinkel bzw. Objektort zugeordnet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat dabei zum einen den Vorteil, dass im Vergleich zu einem Laufzeit- bzw. tofbegrenzten Verfahren ein wesentlich schnellerer Scanprozess realisiert werden kann, da infolge der erfindungsgemäßen „nachträglichen“ Zuordnung von Schwebungsfrequenzen bzw. Objektabständen zu Abstrahlwinkeln bzw. Objektorten die Verweildauer eines jeweiligen Messspots auf dem abzuscannenden Objekt ohne Rücksicht auf die Laufzeit des Signals und insbesondere kürzer als diese Laufzeit gewählt werden kann.
Ein weiterer aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierender Vorteil ist, dass auch bei Erfassung von zwei oder mehr Schwebungsfrequenzen bzw. Frequenzpeaks im FourierSpektrum des Überlagerungssignals aufgrund der vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Zurückrechnung ermittelt werden kann, welcher Frequenzpeak bzw. welche Schwebungsfrequenz zu welchem Abstrahlwinkel bzw. Objektort gehört.
Infolgedessen können beispielsweise auch Szenarien messtechnisch erfasst werden, bei denen während eines vergleichsweise schnellen Scanprozesses ein in relativ geringem Abstand (von z.B. wenigen Metern) befindliches Objekt wie z.B. eine Hauskante unmittelbar auf ein vergleichsweise weit (z.B. mehrere hundert Meter) entferntes Objekt folgt, da in diesem Falle beide erhaltene Frequenzpeaks eindeutig dem jeweiligen Abstrahlwinkel zugeordnet werden können.
Mit anderen Worten beinhaltet die Erfindung das Konzept, in einer mit einem dispersiven Scanner ausgestatteten Vorrichtung zur Abstandsermittlung zugleich Abstände zum Objekt und die jeweils zugehörigen Abstrahlwinkel des dispersiven Scanners zu ermitteln mit der Folge, dass auch Abstände zu mehreren, in unterschiedlicher Entfernung befindlichen Objekten innerhalb ein- und desselben Zeitfensters eindeutig bestimmt werden können.
Durch das Merkmal der „Verwendung wenigstens einer Lichtquelle“ soll insbesondere zum Ausdruck gebracht werden, dass zur Erzielung höherer Datenraten auch eine Mehrzahl von parallel betriebenen Lichtquellen (sowie eine Mehrzahl von Detektoren) verwendet werden können.
Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, mit

- wenigstens einer Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz;
- einem dispersiven Element, welches eine Winkelverteilung eines aus dem optischen Signal hervorgegangenen Messsignals bewirkt, wobei Teilsignale des Messsignals unter voneinander verschiedenen Abstrahlwinkeln zu dem Objekt gelenkt werden;
- einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung von Werten des Abstandes des Objekts auf Basis von jeweils aus einer Überlagerung der an dem Objekt reflektierten Teilsignale mit einem nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignal resultierenden Schwebungsfrequenzen; und
- einer Speichereinheit zur Speicherung der Messzeitpunkte unterschiedlicher Schwebungsfrequenzen;
- wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, auf Basis der gespeicherten Messzeitpunkte nachträglich eine eindeutige Zuordnung zwischen aus den jeweils gemessenen Schwebungsfrequenzen resultierenden Abstandswerten und den zu diesen Abstandswerten gehörenden Orten auf dem Objekt vorzunehmen

- die Messung in mehrere Abstandsintervalle zu unterteilen, denen unterschiedliche Orte auf dem Objekt (140) zugeordnet sind, und
- eine in einem Abtastintervall gemessene Schwebungsfrequenz einem Ort zuzuweisen, der einem n Abtastintervalle älteren Abtastintervall zugeordnet ist, wobei n = 0, 1, 2, ..., ist und proportional mit zunehmender Schwebungsfrequenz ansteigt.

Gemäß einer Ausführungsform ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Erfassung von Objektabständen von bis zu 100m, insbesondere bis zu 200m, weiter insbesondere bis zu 300m, mit der Vorrichtung eine Scanrate von wenigstens 0.6MHz, insbesondere von wenigstens 0.8MHz, weiter insbesondere von wenigstens 1MHz, erzielbar. Unter der Scanrate ist die Anzahl der Pixel, deren Distanz gemessen werden kann, pro Sekunde zu verstehen.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine mit der Vorrichtung erzielbare Scanrate im Vergleich zu einer zweiten Scanrate bei Erfassung von Objektabständen von bis zu 100m um einen Faktor von wenigstens zwei, insbesondere um einen Faktor von wenigstens drei, weiter insbesondere um einen Faktor von wenigstens vier, gesteigert, wobei diese zweite Scanrate mit einer alternativen Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts erzielbar ist, wobei bei dieser alternativen Vorrichtung keine nachträgliche Zuordnung zwischen aus jeweils gemessenen Schwebungsfrequenzen resultierenden Abstandswerten und den zu diesen Abstandswerten gehörenden Orten auf dem Objekt auf Basis gespeicherter Messzeitpunkte erfolgt.
Gemäß einer Ausführungsform weist das dispersive Element ein AWG auf.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Aufbau und Wirkungsweise einer Vorrichtung zur Abstandsermittlung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren realisierbar ist;
2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
3a-3b weitere Diagramme zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Weiteren wird das erfindungsgemäße Verfahren in einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen in 1 und 2 beschrieben.
1 zeigt zunächst einen prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Abstandsermittlung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
Eine Lichtquelle 110 dient zum Aussenden eines optischen Signals 111 mit zeitlich variierender Frequenz. Die Lichtquelle 110 kann lediglich beispielhaft eine (zentrale) Wellenlänge von 1550nm±100nm aufweisen. Weitere Wellenlängen bzw. Bandbreiten (z.B. 910nm±50nm) sind ebenfalls möglich. Im Ausführungsbeispiel weist das Signal einen Frequenzverlauf mit linearer Zeitabhängigkeit auf. Das von der Lichtquelle 110 ausgesandte Signal mit zeitlich veränderter Frequenz (auch als „Chirp“ bezeichnet) wird über einen Strahlteiler 115 (z.B. einen teildurchlässigen Spiegel oder einen faseroptischen Splitter) in zwei Teilsignale aufgespalten.
Die beiden Teilsignale werden über einen Signalkoppler 145 gekoppelt und an einem Detektor 150 einander überlagert, wobei das erste Teilsignal als Referenzsignal ohne Reflexion an dem mit „140“ bezeichneten Objekt zu dem Signalkoppler 145 und dem Detektor 150 gelangt. Das zweite am Signalkoppler 145 bzw. am Detektor 150 eintreffende Teilsignal verläuft hingegen zunächst als Messsignal über einen optischen Zirkulator 120 und eine Kollimator- und Scanner-Einheit 130 zum Objekt 140, wird von diesem zurückreflektiert und gelangt im Vergleich zum Referenzsignal mit einer Zeitverzögerung und entsprechend veränderter Frequenz zum Signalkoppler 145 und zum Detektor 150.
Der dem Messsignal entsprechende Strahl weist zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche Frequenzen auf und trifft auf ein in der Kollimator- und Scanner-Einheit 130 vorhandenes dispersives Element 131, von welchem aus unterschiedliche Frequenzen (d.h. die jeweiligen Frequenzen aufweisende Teilstrahlen 102, 102,...) in voneinander verschiedene Richtungen zum Objekt 140 hin abgelenkt werden. Wenngleich hierdurch grundsätzlich ein Abscannen des Objekts 140 ohne Erfordernis beweglicher Komponenten wie Scan- oder Ablenkspiegel ermöglicht wird, kann zur Durchführung eines zweidimensionalen Scanvorgangs auch - in Kombination mit dem dispersiven Element 131 - eine (oder mehrere) mechanische Komponente(n) wie ein Scan- oder Ablenkspiegel eingesetzt werden.
Im Signalkoppler 145 erfolgt die Zusammenführung der wie vorstehend beschrieben aus dem Messsignal erzeugten Teilsignale mit dem Referenzsignal. Über eine Auswerteeinrichtung 160 wird das vom Detektor 150 gelieferte Detektorsignal relativ zur Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 110 ausgewertet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste Differenzfrequenz zwischen Messsignal und Referenzsignal charakteristisch für den Abstand des Objekts 140 von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 110 ist. Im 1 ist mit „D“ der Strahldurchmesser und mit „d“ der Abstand des Objekts 140 von der Messvorrichtung bezeichnet.
Erfindungsgemäß wird nun zu den für die Überlagerung der jeweiligen Teilsignale mit dem Referenzsignal erhaltenen Schwebungsfrequenzen auch der jeweilige Messzeitpunkt, zu dem die betreffende Schwebungsfrequenz gemessen wird, erfasst, um basierend auf dem Messzeitpunkt der betreffenden Schwebungsfrequenz und dem aus dem Frequenzwert der betreffenden Schwebungsfrequenz resultierenden Abstand des Objekts 140 zurückzurechnen, welcher Abstrahlwinkel - und damit welcher Ort auf dem Objekt 140 - der Schwebungsfrequenz bzw. dem daraus resultierenden, ermittelten Abstand des Objekts 140 zuzuordnen ist. Als „Messzeitpunkt“ einer Schwebungsfrequenz kann insbesondere der Mittelwert zwischen dem zeitlichen Anfangswert und dem zeitlichen Endwert eines Abtastintervalls, in welchem die jeweilige Messung erfolgt, herangezogen werden.
2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des vorstehenden Konzepts. Gemäß 2 sind zeitliche Abtastintervalle, welche wesentlich kürzer als eine zu erwartende Licht- bzw. Signallaufzeit (tof = „time of flight“) sind, mit „1“, „2“, „3“, ... bezeichnet. Typische Größenordnungen der zeitlichen Abtastintervalle für eine Entfernung von 150m können hierbei 0.5µs betragen. Im Abtastintervall „3“ werden zwei Peaks „A“ und „B“ im Fourierspektrum des Signals beobachtet. Peak „A“ hat eine Schwebungsfrequenz, welche einer zeitlichen Verzögerung zwischen dem ausgesandten Messsignal und dem empfangenen Messsignal von einem Abtastintervall entspricht. Der zugehörige Abstrahlwinkel entspricht daher dem Abstrahlwinkel im Abtastintervall „2“, in dem jedoch das zurücklaufende Signal noch nicht beobachtbar war, da die Licht- bzw. Signallaufzeit größer als ein Abtastintervall war. Peak „B“ hat eine Schwebungsfrequenz, welche einer Verzögerung von zwei Abtastintervallen entspricht. Der zugehörige Abstrahlwinkel gehört somit zum Abtastintervall „1“. Da jedem Abtastintervall ein mittlerer Winkel zugeordnet ist und die Zuordnung „Winkel zu Zeit“ ebenfalls bekannt ist, kann bei bekannter Schwebungsfrequenz der zugehörige Abstrahlwinkel berechnet werden, indem der Zeitversatz (welcher proportional zur Schwebungsfrequenz ist) berücksichtigt wird.
Im Weiteren wird das erfindungsgemäße Konzept anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert.
Dabei wird lediglich beispielhaft eine lineare Zeitabhängigkeit der Frequenz des von der Lichtquelle 110 ausgesandten Signals gemäß $f (t) = f_{0} + k * t$
zugrundegelegt, wobei κ die Chirprate bezeichnet. Wenn die Frequenz einen Maximalwert f+Δf erreicht hat, springt der Frequenzwert zurück auf den Ausgangswert, woraufhin sich die Frequenz-Durchstimmung wiederholt. Bei einer Durchlaufzeit τ für eine vollständige Frequenz-Durchstimmung bis zum maximalen Frequenzwert f+Δf ergibt sich eine Chirprate κ=Δf/τ.
Infolge der erfindungsgemäß verwendeten dispersiven Kollimator- und Scanner-Einheit 130 ist der Abstrahlwinkel Φ(t) direkt mit der Wellenlänge und damit auch mit der Frequenz gekoppelt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei nun angenommen, dass sich bei einer vollständigen Frequenz-Durchstimmung der Abstrahlwinkel um einen Betrag ΔΦ ändert. Somit wird abgestrahltes Licht, für welches keine wesentliche (durch Dopplereffekt verursachte) Änderung der Wellenlänge oder Ortsveränderung innerhalb der Lichtlaufzeit tof (die typische Werte von weniger als 1µs aufweisen kann) stattfindet, bei Reflexion an dem Objekt 140 stets in den Detektor 150 zurückgekoppelt, und zwar auch dann, wenn sich der Abstrahlwinkel während der Lichtlaufzeit bereits wesentlich geändert hat.
Wird das von der Lichtquelle 110 ausgehende Licht in einen Referenzstrahl und Messstrahl aufgeteilt, die anschließend am Detektor 150 interferieren, entsteht ein entfernungsabhängiges Schwebungssignal, dessen Frequenz aus der Chirprate κ bestimmt werden kann. Bei einem Abstand d gilt für die Schwebungsfrequenz: $f_{Schwebung} (d) = 2 * k * d/c$
wobei c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet. Tritt nun gleichzeitige Interferenz mehrerer Signale aus unterschiedlichen Entfernungen am Detektor 150 auf, so entstehen mehrere Schwebungsfrequenzen, welche durch eine Fouriertransformation des Schwebungssignals eindeutig bestimmt werden können. Bei Aufteilung der Durchlaufzeit τ in n Messintervalle werden gleichzeitig n verschiedene Winkelpositionen innerhalb des Bereichs [φ, φ+Δφ] definiert. Im Folgenden wird nun das Messsignal in einem Messzeitfenster [t, t+τ/n] betrachtet, wobei der Wert von τ/n wesentlich kleiner als die Lichtlaufzeit 2*d/c angenommen wird. Dabei kann der Abstand d typischerweise 150m betragen.
Beobachtet man im vorstehend erwähnten Messfenster ein Signal der Frequenz 2*κ*d/c, so wurde dieses Signal im Zeitfenster [t-2*d/c, t+τ/n-2*d/c] ausgesandt. Da der zugehörige Winkel aus der Winkel/Zeitabhängigkeit eindeutig bestimmt werden kann, kann eindeutig der Ort des streuenden bzw. reflektierenden Objektes 140 bestimmt werden.
Einschränkend wird hierbei vorausgesetzt, dass bei typischen Geschwindigkeiten mit Werten von z.B. 100km/h, typischen Messintervallen mit Werten im Bereich von 0.1µs und typischen Lichtlaufzeiten (tof) mit Werten im Bereich von 1µs nur geringfügige Änderungen des Ortes auftreten. Beispielsweise würde sich bei einer Geschwindigkeit von 100km/h der Abstand während der Lichtlaufzeit nur um 28µm verändern, was im Vergleich zu Messfehlern vernachlässigbar ist. Die maximale Detektorfrequenz bestimmt zugleich die maximal detektierbare Entfernung. Licht, welches aus größerer Entfernung zurückgestreut wird, kann nicht mehr erfasst werden. In einem konkreten Ausführungsbeispiel sind gemäß Tabelle 1 für einen beispielhaften Wert der Chirprate κ der Lichtquelle 110 von κ=5*10¹⁵ Hz/s und unterschiedliche Abstände des Objekts 140 bis zu 150m unter Zugrundelegung einer Messzeit von 0.08µs pro Pixel (zur Erzielung einer Pixelrate von 25fps mit 0.5MPixeln) die jeweiligen Werte der Schwebungsfrequenz sowie die Verzögerungszeit und der Pixel-Versatz für die jeweilige Messung dieser Schwebungsfrequenzen aufgeführt.

Tabelle 1:

Abstand [m]	Schwebungsfrequenz [Hz]	Verzögerungszeit [s]	Pixel-Versatz
10	3.67*10⁸	6.67*10^-8	0
20	7.35*10⁸	1.33*10^-7	1
30	1.10*10⁹	2.00*10^-7	2
40	1.47*10⁹	2.67*10^-7	3
50	1.84*10⁹	3 . 33*10-⁷	4
60	2.20*10⁹	4.00*10^-7	4
70	2.57*10⁹	4.67*10^-7	5
80	2.94*10⁹	5 . 33*10-⁷	6
90	3.31*10⁹	6.00*10-⁷	7
100	3.67*10⁹	6.67*10^-7	8
110	4.04*10⁹	7. 33*10-⁷	9
120	4.41*10⁹	8.00*10^-7	9
130	4.77*10⁹	8.67*10^-7	10
140	5.14*10⁹	9 . 33*10-⁷	11
150	5.51*10⁹	1.00*10^-6	12

Bei einer Distanz von 150m entspricht die Verzögerungszeit einem Pixel-Versatz von 12 Pixeln. Beobachtet man nun das Signal in einem Zeitintervall [t, t+0.08 ps], so würde man bei einer Fouriertransformation des Signals gemäß 3a mehrere Frequenzpeaks gemäß 3b, die im Ausführungsbeispiel den Objektabständen 10m, 50m, 100m und 150m entsprechen, beobachten.
Bei Verwendung eines konventionellen Scanspiegels würde nur der „lOm-Peak“ beobachtet, da das Licht aus größeren Entfernungen nicht mehr innerhalb der Pixelzeit zum Detektor gelangen würde.
Der 150m Peak weist im Ausführungsbeispiel einen Pixel-Versatz von 12 Pixeln auf. Die entsprechende Abstandsberechnung muss daher nicht dem Abstrahlwinkel im Zeitintervall [t, t+0.08 ps], sondern dem Abstrahlwinkel im Intervall [t-0.96 µs, t+0.84 µs] bzw. [t-12*0.08 µs, t+0.08 µs-12*0.08 µs] zugeordnet werden. Analog werden zu den übrigen Peaks die gehörigen Abstrahlwinkel berechnet. Im Ergebnis kann so jedem Frequenzpeak eindeutig ein Abstand und ein Abstrahlwinkel zugeordnet werden.
In weiteren Ausführungsformen können zur Durchführung eines zweidimensionalen Scanvorgangs auch - in Kombination mit dem dispersiven Element - eine (oder mehrere) mechanische Komponente(n) wie ein Scan- oder Ablenkspiegel eingesetzt werden. Auf diese Weise kann ein vergleichsweise schnelles dispersives Scannen entlang einer Achse bzw. in einer Raumrichtung mit einem vergleichsweise langsamen mechanischen Scannen in der anderen (typicherweise senkrechten) Raumrichtung kombiniert werden. Legt man wie oben ein 0.5MPixel-Bild zugrunde, entspricht dies bei einem beispielhaft angenommenen quadratischen Bildfeld 707 Pixel * 707 Pixel. Während für den schnellen dispersiven Scanvorgang der Winkel alle 0.08µs (entsprechend der Messzeit im o.g. Beispiel) verändert wird, findet beim vergleichsweise langsamen mechanischen Scannen eine Richtungsänderung nur alle 56µs statt (was im Vergleich zur Laufzeit unkritisch ist).
In 3a-3b sind zur Erläuterung der durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichten Wirkung die für unterschiedliche Abstandswerte erhaltenen Peaks im anhand einer Fouriertransformation des Schwebungssignals erhaltenen Signalspektrum sowohl für ein Szenario ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. mit einer nichtdispersiven Scaneinrichtung wie einem Galvoscanner ( 3a) als auch für ein Szenario mit Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens (3b) gezeigt.
Gemäß 3b können mit Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrere Frequenzpeaks (entsprechend Abstandswerten von 10m, 50m, 100m bzw. 150m) in dem anhand einer Fouriertransformation des Schwebungssignals erhaltenen Signalspektrum ermittelt werden. Zugleich kann aufgrund der erfindungsgemäßen Zurückrechnung ermittelt werden, welcher dieser Frequenzpeaks bzw. welche Schwebungsfrequenz zu welchem Abstrahlwinkel bzw. Objektort gehört. Infolgedessen können auch Szenarien messtechnisch erfasst werden, bei denen im Laufe eines vergleichsweise schnellen Scanprozesses sowohl ein in relativ geringem Abstand (von z.B. wenigen Metern) befindliches Objekt wie z.B. eine Hauskante unmittelbar auf ein vergleichsweise weit (z.B. mehrere hundert Meter) entferntes Objekt folgt, da dann beide erhaltene Frequenzpeaks eindeutig dem jeweiligen Abstrahlwinkel zugeordnet werden können.
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, dass bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch die herkömmlicherweise mit zunehmendem Objektabstand gegebene Abnahme der bei der scannenden Abstandsermittlung erzielbaren Daten- bzw. Pixelrate entfällt:

Wenn man etwa in einem einfachen Berechnungsbeispiel von einer Signalauswertungszeit von 1µs ausgeht, ergibt sich für ein herkömmliches Verfahren eine Daten- bzw. Pixelrate vom IMPixel/s. Infolge der Laufzeitbegrenzung würde sich jedoch bei einem Objektabstand von 150m die gesamte, pro Messpunkt erforderliche Messzeit (für Signalauswertung sowie Hin- und Zurücklaufen des Signals zum bzw. vom Objekt) auf t_ges. = 1µs (Signalauswertungszeit) + 1µs (Laufzeit) = 2µs erhöhen, da für jeden Messpunkt das Zurücklaufen des am Objekt reflektierten Signals abgewartet werden muss. Bei einem Objektabstand von 300m würde sich die gesamte erforderliche Messzeit pro Messpunkt auf tges. = 1µs (Signalauswertungszeit) +2µs (Laufzeit) =3µs erhöhen, etc.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Zurücklaufen des am Objekt reflektierten Signals für die einzelnen Messpunkte nicht abgewartet werden muss (also die Laufzeitbegrenzung entfällt), fällt unabhängig vom Objektabstand für jeden Messpunkt nur die Signalauswertungszeit von 1µs an mit der Folge, dass die im Berechnungsbeispiel insoweit erzielbare Daten- bzw. Pixelrate vom IMPixel/s auch bei Abständen von z.B. mehr als 100m, insbesondere mehr als 200m, erhalten bleibt.
Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.

Claims

Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, mit • wenigstens einer Lichtquelle (110) zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz; • einem dispersiven Element (131), welches eine Winkelverteilung eines aus dem optischen Signal hervorgegangenen Messsignals bewirkt, wobei Teilsignale des Messsignals unter voneinander verschiedenen Abstrahlwinkeln zu dem Objekt (140) gelenkt werden; • einer Auswerteeinrichtung (160) zur Ermittlung von Werten des Abstandes des Objekts (140) auf Basis von jeweils aus einer Überlagerung der an dem Objekt (140) reflektierten Teilsignale mit einem nicht an dem Objekt (140) reflektierten Referenzsignal resultierenden Schwebungsfrequenzen; und • einer Speichereinheit zur Speicherung der Messzeitpunkte unterschiedlicher Schwebungsfrequenzen; • wobei die Auswerteeinrichtung (160) dazu ausgelegt ist, auf Basis der gespeicherten Messzeitpunkte nachträglich eine eindeutige Zuordnung zwischen aus den jeweils gemessenen Schwebungsfrequenzen resultierenden Abstandswerten und den zu diesen Abstandswerten gehörenden Orten auf dem Objekt (140) vorzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, • die Messung in mehrere Abstandsintervalle zu unterteilen, denen unterschiedliche Orte auf dem Objekt (140) zugeordnet sind, und eine in einem Abtastintervall gemessene Schwebungsfrequenz einem Ort zuzuweisen, der einem n- Abtastintervalle älteren Abtastintervall zugeordnet ist, wobei n=0,1,2,.. ist und proportional mit zunehmender Schwebungsfrequenz ansteigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Erfassung von Objektabständen von mehr als 100m, weiter insbesondere von mehr als 200m, ausgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erfassung von Objektabständen von bis zu 100m, insbesondere bis zu 200m, weiter insbesondere bis zu 300m, mit der Vorrichtung eine Scanrate von wenigstens 0.6MHz, insbesondere von wenigstens 0.8MHz, weiter insbesondere von wenigstens 1MHz, erzielbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Vorrichtung erzielbare Scanrate im Vergleich zu einer zweiten Scanrate bei Erfassung von Objektabständen von bis zu 100m um einen Faktor von wenigstens zwei, insbesondere um einen Faktor von wenigstens drei, weiter insbesondere um einen Faktor von wenigstens vier, gesteigert wird, wobei diese zweite Scanrate mit einer alternativen Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts erzielbar ist, wobei bei dieser alternativen Vorrichtung keine nachträgliche Zuordnung zwischen aus jeweils gemessenen Schwebungsfrequenzen resultierenden Abstandswerten und den zu diesen Abstandswerten gehörenden Orten auf dem Objekt auf Basis gespeicherter Messzeitpunkte erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive Element (131) ein AWG aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge eines zeitlichen Abtastintervalls, über welches die Bestimmung der jeweiligen Schwebungsfrequenzen erfolgt, im Bereich von 0.1µs bis 1µs liegt.
Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: • Aussenden, unter Verwendung wenigstens einer Lichtquelle (110), eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz; • Erzeugen einer Winkelverteilung eines aus dem optischen Signal hervorgegangenen Messsignals durch ein dispersives Element (131), wobei Teilsignale des Messsignals unter voneinander verschiedenen Abstrahlwinkeln zu dem Objekt (140) gelenkt werden; und • Ermitteln von Werten des Abstandes des Objekts (140) auf Basis von jeweils aus einer Überlagerung der an dem Objekt (140) reflektierten Teilsignale mit einem nicht an dem Objekt (140) reflektierten Referenzsignal resultierenden Schwebungsfrequenzen; • wobei die Messzeitpunkte unterschiedlicher Schwebungsfrequenzen gespeichert werden; und • wobei auf Basis der gespeicherten Messzeitpunkte nachträglich eine eindeutige Zuordnung zwischen aus den jeweils gemessenen Schwebungsfrequenzen resultierenden Abstandswerten und den zu diesen Abstandswerten gehörenden Orten auf dem Objekt vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass • die Messung in mehrere Abstandsintervalle unterteilt wird, denen unterschiedliche Orte auf dem Objekt zugeordnet sind, und eine in einem Abtastintervall gemessene Schwebungsfrequenz einem Ort zuzuweisen, der einem n- Abtastintervalle älteren Abtastintervall zugeordnet ist, wobei n=0,1,2,.. ist und proportional mit zunehmender Schwebungsfrequenz ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für eine gemessene Schwebungsfrequenz auf den zugehörigen Abstrahlwinkel des für diese Schwebungsfrequenz jeweils ursächlichen Teilsignals unter Berücksichtigung des Messzeitpunkts der betreffenden Schwebungsfrequenz und dem aus der betreffenden Schwebungsfrequenz resultierenden Abstand des Objekts zurückgerechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge eines zeitlichen Abtastintervalls, über welches die Bestimmung der jeweiligen Schwebungsfrequenzen erfolgt, im Bereich von 0.1µs bis 1µs liegt.