DE102019219330A1

DE102019219330A1 - Einrichtung zum Erzeugen von Testdaten zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung, Messeinrichtung zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung und Verfahren zum Erzeugen von Testdaten zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung

Info

Publication number: DE102019219330A1
Application number: DE102019219330.7A
Authority: DE
Inventors: Ralf Beuschel
Original assignee: Ibeo Automotive Systems GmbH
Current assignee: Microvision Inc Redmond Us
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2021-06-17
Also published as: WO2021115652A1; CN114787653A; JP7486843B2; EP4073542A1; IL293697A; CA3162936A1; KR20220101209A; JP2023505364A; US20230003853A1

Abstract

Einrichtung (7) zum Erzeugen von Testdaten zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung, umfassend:einen Testmuster-Generator (8), der dazu eingerichtet ist, eine zeitliche Abfolge von Test-Events zu erzeugen, um diese einem Test-Histogrammkanal (10) zur Erzeugung von zeitkorrelierten Test-Histogrammdaten zum Testen der Distanzbestimmung bei der optischen Laufzeitmessung bereitzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Einrichtung zum Erzeugen von Testdaten zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung, eine Messeinrichtung zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung und ein Verfahren zum Erzeugen von Testdaten zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung.
Allgemein sind verschiedene Verfahren zur optischen Laufzeitmessung bekannt, die auf dem sogenannten Time-of-Flight Prinzip beruhen können, bei dem die Laufzeit eines ausgesendeten und von einem Objekt reflektierten Lichtsignals gemessen wird, um die Distanz zu dem Objekt auf Grundlage der Laufzeit zu bestimmen.
Es ist bekannt, im Kraftfahrzeugumfeld Sensoren einzusetzen, die auf dem sogenannten LIDAR-Prinzip beruhen (Light Detection and Ranging), bei dem zum Abtasten der Umgebung periodisch Pulse ausgesendet und die reflektierten Pulse detektiert werden. Ein entsprechendes Verfahren und eine Vorrichtung sind beispielsweise aus WO 2017/081294 bekannt.
LIDAR-Systeme im Kraftfahrzeugumfeld müssen typischerweise mindestens eine Sicherheitsanforderungsstufe gemäß ISO26262 ASIL B (D) bei einer Distanzbestimmung erfüllen, um autonome Fahrfunktionen zu ermöglichen. Daher werden typischerweise Sicherheitsanalysen durchgeführt, die verschiedene mögliche Auswirkungen testen, die zu einer Fehlfunktion des Systems führen können.
Auch wenn aus dem Stand der Technik Lösungen zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung bekannt sind, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zum Erzeugen von Testdaten zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung, eine Messeinrichtung zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung und ein Verfahren zum Erzeugen von Testdaten zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung bereitzustellen.
Diese Aufgabe lösen die Einrichtung nach Anspruch 1, die Messeinrichtung nach Anspruch 10 und das Verfahren nach Anspruch 15.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zum Erzeugen von Testdaten zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung bereit, umfassend:

einen Testmuster-Generator, der dazu eingerichtet ist, eine zeitliche Abfolge von Test-Events zu erzeugen, um diese einem Test-Histogrammkanal zur Erzeugung von zeitkorrelierten Test-Histogrammdaten zum Testen der Distanzbestimmung bei der optischen Laufzeitmessung bereitzustellen.

Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Messeinrichtung zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung bereit, umfassend:

eine Einrichtung nach dem ersten Aspekt; und
mindestens einen Test-Histogrammkanal, der dazu eingerichtet ist, die vom Testmuster-Generator erzeugte zeitliche Abfolge von Test-Events zu erhalten und darauf basierend zeitkorrelierte Test-Histogrammdaten zu erzeugen.

Gemäß einem dritten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von Testdaten zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung bereit, umfassend:

Erzeugen einer zeitlichen Abfolge von Test-Events, um diese einem Test-Histogrammkanal zur Erzeugung von zeitkorrelierten Test-Histogrammdaten zum Testen der Distanzbestimmung bei der optischen Laufzeitmessung bereitzustellen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Zeichnungen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Wie erwähnt, betreffen manche Ausführungsbeispiele eine Einrichtung zum Erzeugen von Testdaten zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung, umfassend:

Wie eingangs ausgeführt, müssen LIDAR-Systeme im Kraftfahrzeugumfeld typischerweise mindestens eine Sicherheitsanforderungsstufe gemäß ISO26262 ASIL B (D) bei einer Distanzbestimmung erfüllen, um autonome Fahrfunktionen zu ermöglichen. In solchen LIDAR-Systemen können verschiedene Ursachen für Fehlfunktionen bei der Distanzbestimmung vorliegen. Daher ist es grundsätzlich wünschenswert, einfache und zuverlässige Testverfahren der Distanzbestimmung in LIDAR-Systemen bereitzustellen.
Eine mögliche Ursache für eine Fehlfunktion bei einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung, insbesondere bei solchen die auf LIDAR basiert, kann eine falsche Zeitskala und/oder ein falscher Zeitbezugspunkt des Systems sein. Eine falsche Zeitskala kann in falsch skalierten Distanzen resultieren; z. B. kann ein falscher Skalierungsfaktor, der um einen Faktor zwei abweicht, bei einer Distanzbestimmung ein Resultat von 20 m anstatt 10m ergeben. In manchen Ausführungsbeispielen kann bspw. kann eine falsche Zeitskala durch eine fehlerhafte Konfiguration eines Zeit-Digital-Wandlers verursacht sein (auch „TDC“, time-to-digital converter, genannt). In anderen Ausführungsbeispielen wiederum kann eine fehlerhafte Konfiguration der Datenverarbeitungseinheiten ursächlich sein. Ein falscher Zeitbezugspunkt kann in einem konstanten Distanzversatz resultieren, z.B. 15 m anstatt 10 m, 25 m anstatt 20 m, usw. Zum Beispiel. kann ein falscher Zeitbezugspunkt in manchen Ausführungsbeispielen durch eine falsche Bestimmung eines Startzeitpunkts der optischen Laufzeitmessung verursacht sein. Eine weitere mögliche Ursache für eine Fehlfunktion bei der Distanzbestimmung kann eine fehlerhafte Datenverarbeitung bei einer Peak-Detektion sein, die aus Messdaten eine Distanz zu einem Objekt bestimmt, welches das ausgesendete Licht reflektiert.
Daher wird die Einrichtung in manchen Ausführungsbeispielen in einem LIDAR-System oder dergleichen verwendet und bspw. im Kraftfahrzeugumfeld eingesetzt, ohne dass die Erfindung auf diese Fälle beschränkt ist.
Ein Erzeugen von Testdaten kann daher in manchen Ausführungsbeispielen umfassen, dass zu verschiedenen vorgegebenen Zeitpunkten elektrische Signale erzeugt werden, die eine Detektion von zurückreflektierten Licht bei einer optischen Laufzeitmessung simulieren.
Ein Testen einer Distanzbestimmung kann in manchen Ausführungsbeispielen umfassen, dass Distanzen, die basierend auf den erzeugten Testdaten bestimmt wurden, mit nominellen Distanzen verglichen werden, die aus den vorgegebenen Zeitpunkten bestimmt wurden. Eine Abweichung zwischen den bestimmten Distanzen und den nominellen Distanzen kann in solchen Ausführungsbeispielen ein Indikator für eine Fehlfunktion bei der Distanzbestimmung sein.
Dies ist bei manchen Ausführungsbeispielen vorteilhaft, da dadurch eine regelmäßige Überprüfung der Peak-Detektion ermöglicht wird, um eine fehlerfreie Funktionalität zu gewährleisten.
Bei manchen Ausführungsbeispielen basiert die optische Laufzeitmessung auf dem sogenannten TCSPC (time correlated single photon counting) Messprinzip, insbesondere bei Ausführungsbeispielen, welche auf LIDAR basieren. Dabei werden periodisch Lichtpulse ausgesandt, welche typischerweise einige Nanosekunden lang sind und einen Startzeitpunkt einer Messung markieren. Während der Zeit bis zum nächsten Lichtpuls (Messzeit) wird das von Objekten reflektierte Licht oder zurückgestreute Licht durch ein lichtdetektierendes Empfangselement (z.B. eine single photon avelanche diode (SPAD)) detektiert, wobei in einem kurzen Zeitbereich vor der Aussendung der Lichtpulse ebenfalls Licht detektiert werden kann. Dabei wird die Messzeit in eine Vielzahl von kurzen Zeitintervallen (bspw. 30 ps) eingeteilt. Jedem Zeitintervall kann dann ein Zeitpunkt zugeordnet werden, der einem zeitlichen Abstand zum Startzeitpunkt entspricht (z.B. kann bei Zeitintervallen von 30 ps einem ersten Zeitintervall ein Zeitpunkt von 15 ps zugeordnet werden und einem zweiten Zeitintervall ein Zeitpunkt von 45 ps zugeordnet werden usw.).
Abhängig von der Distanz zum Objekt erreicht das Licht das lichtdetektierende Empfangselement zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Dabei erzeugt es im lichtdetektierenden Empfangselement ein elektrisches Signal. Mithilfe eines Zeit-Digital-Wandlers (auch „TDC“, time-to-digital converter, genannt) lässt sich dann das elektrische Signal einem der Zeitintervalle zuordnen. Durch das Zählen der elektrischen Signale („Events“), die einem Zeitintervall zugeordnet werden, entstehen sogenannte Histogramme bzw. zeitkorrelierte Histogramme (auch TCSPC-Histogramme genannt), wobei diese Histogramme bspw. auch nur als reine Daten vorliegen können und bspw. als Wertepaare aus Zeitintervall und zugehöriger Anzahl von Einträgen (Ereignissen oder Events) abgespeichert sind. Die Zeitintervalle zusammen mit der jedem Zeitintervall zugeordneten Anzahl an Events bilden dementsprechend Histogrammdaten, die grundsätzlich durch digitale Signale (oder auch analoge Signale) repräsentiert werden können. Die Erzeugung solcher Histogrammdaten kann in einem Histogrammkanal ausgeführt werden. Allgemein können LIDAR-Daten bei manchen Ausführungsbeispielen typischerweise Signalbeiträge aus einer Rückstreuung, einer Lichtreflexion an Objekten, Umgebungslicht, Störlichtsignale durch weitere Lichtquellen in der Umgebung und dergleichen enthalten.
Ein Testmuster-Generator kann in manchen Ausführungsbeispielen eine zeitliche Abfolge von Test-Events erzeugen. Dabei kann die zeitliche Abfolge bei manchen Ausführungsbeispielen mehrere elektrische Signale aufweisen, die an vorgegebenen Zeitpunkten erzeugt werden, wobei die elektrischen Signale den Test-Events entsprechen können. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die erzeugte zeitliche Abfolge von Test-Events mit einem Startzeitpunkt (Zeitpunkt der Aussendung des Lichtpulses) der optischen Laufzeitmessung synchronisiert, sodass ein Testen der Distanzbestimmung parallel zu einer normalen Messung durchgeführt werden kann. In anderen Ausführungsbeispielen kann ein Testen der Distanzbestimmung unabhängig von einer normalen Messung durchgeführt werden (z.B. im Standby-Modus). Die erzeugte zeitliche Abfolge von Test-Events kann sich grundsätzlich zeitlich verändern, d.h. eine erzeugte zeitliche Abfolge kann sich von einer anderen erzeugten zeitlichen Abfolge unterscheiden. In solchen Ausführungsbeispielen kann die zeitliche Abfolge von Test-Events basierend auf mindestens einem Eingangsparameter erzeugt werden, die dem Testmuster-Generator zugänglich sind. In manchen Ausführungsbeispielen sind die Test-Events identisch, d.h. die elektrischen Signale sind identisch, ohne das die Erfindung in dieser Hinsicht beschränkt ist. Vorzugsweise ist die Anzahl der Test-Events in der erzeugten zeitlichen Abfolge von Test-Events konstant, aber in manchen Ausführungsbeispielen kann sich die Anzahl von zeitlicher Abfolge zu zeitlicher Abfolge unterscheiden.
Der Testmuster-Generator kann dabei grundsätzlich ein elektronischer Schaltkreis bzw. eine elektronische Schaltung sein. Der elektronische Schaltkreis kann elektronische Komponenten, digitale Speicherelemente, Signaleingänge (um analoge und/oder digitale Signale zu erhalten), Signalausgänge (um analoge und/oder digitale Signale bzw. elektrische Signale auszugeben) und dergleichen enthalten, um die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen. Der elektronische Schaltkreis kann bei manchen Ausführungsbeispielen durch ein FPGA (Field Programmable Gate Array), DSP (Digitaler Signalprozessor), einen Mikroprozessor oder dergleichen realisiert sein. Der Testmuster-Generator kann dabei in der Zeitdomäne in manchen Ausführungsbeispielen mit einer Auflösung im Nanosekundenbereich arbeiten.
Ein Test-Histogrammkanal kann in manchen Ausführungsbeispielen zeitkorrelierte Test-Histogrammdaten erzeugen. Zeitkorrelierte Histogrammdaten sind bei manchen Ausführungsbeispielen solche Daten, die basierend auf den elektrischen Signalen der lichtdetektierenden Empfangselemente innerhalb der (zugehörigen) Messzeit erzeugt werden. Bei manchen Ausführungsbeispielen werden analog dazu zeitkorrelierte Test-Histogrammdaten erzeugt, die basierend auf einer erzeugten zeitlichen Abfolge von Test-Events erzeugt wurden (elektrischen Signale des Testmuster-Generators (erzeugte zeitliche Abfolge von Test-Events)), und zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung verwendet. Der Test-Histogrammkanal kann bei manchen Ausführungsbeispielen die zeitkorrelierten Test-Histogrammdaten basierend auf der erzeugten zeitlichen Abfolge von Test-Events parallel zur normalen Messung erzeugen, ohne dass die Erfindung in dieser Hinsicht beschränkt ist.
Der Test-Histogrammkanal kann dabei grundsätzlich die gleiche Funktionalität und Ausgestaltung wie ein normaler Histogrammkanal haben. Der Test-Histogrammkanal kann in manchen Ausführungsbeispielen einen Zeit-Digital-Wandler aufweisen. Der Test-Histogrammkanal kann dabei grundsätzlich ein elektronischer Schaltkreis bzw. eine elektronische Schaltung sein. Der elektronische Schaltkreis kann elektronische Komponenten, digitale Speicherelemente, Signaleingänge (um analoge und/oder digitale Signale zu erhalten), Signalausgänge (um analoge und/oder digitale Signale bzw. zeitkorrelierte Histogrammdaten auszugeben) und dergleichen enthalten, um die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen. Der elektronische Schaltkreis kann bei manchen Ausführungsbeispielen durch ein FPGA (Field Programmable Gate Array), DSP (Digitaler Signalprozessor), einen Mikroprozessor oder dergleichen realisiert sein.
In manchen Ausführungsbeispielen basiert ein zeitlicher Abstand zweier Zeitpunkte zweier zeitlich aufeinanderfolgenden Test-Events in der erzeugten zeitlichen Abfolge von Test-Events auf einer Zeitauflösung der optischen Laufzeitmessung.
Eine Zeitauflösung der optischen Laufzeitmessung kann bei manchen Ausführungsbeispielen einem minimalen zeitlichen Abstand zweier elektrischer Signale (Events) entsprechen, die noch eindeutig unterschieden werden können. Die Zeitauflösung kann bei manchen Ausführungsbeispielen durch die zeitliche Länge der elektrischen Signale limitiert sein, die von lichtdetektierenden Empfangselementen in Reaktion auf einen Lichteinfall erzeugt werden. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Zeitauflösung durch einen Zeit-Digital-Wandler limitiert sein. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Zeitauflösung durch die Datenverarbeitung limitiert sein.
Die Zeitauflösung muss daher in manchen Ausführungsbeispielen bei der Erzeugung der zeitlichen Abfolge von Test-Events berücksichtigt werden. Der zeitliche Abstand zweier Zeitpunkte zweier zeitlich aufeinanderfolgenden Test-Events in der erzeugten zeitlichen Abfolge von Test-Events kann folglich in manchen Ausführungsbeispielen größer sein als die Zeitauflösung der optischen Laufzeitmessung. Die Zeitauflösung entspricht über die Lichtgeschwindigkeit einer Distanzauflösung der optischen Laufzeitmessung
Z.B. kann die Distanzauflösung (entspricht Zeitauflösung) in manchen Ausführungsbeispielen bei einem LIDAR-System 10 cm betragen. In solchen Ausführungsbeispielen kann dann der zeitliche Abstand zweier Zeitpunkte zweier zeitlich aufeinanderfolgenden Test-Events in der erzeugten zeitlichen Abfolge von Test-Events bspw. 50 cm betragen. Dadurch kann ein größerer Distanzbereich bei der LIDAR-Messung getestet werden.
In manchen Ausführungsbeispielen wird die zeitliche Abfolge von Test-Events weiter basierend auf mindestens einem Eingangsparameter erzeugt.
Die Eingangsparameter können in manchen Ausführungsbeispielen dem Testmuster-Generator über Signaleingänge übergeben werden. Ein Eingangsparameter kann bspw. ein Bildzähler, ein Zeilen- oder Spaltenindex, eine Systemzeit sein. Die Eingangsparameter können grundsätzlich durch analoge und/oder digitale Signale repräsentiert sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen können daher die Anzahl der Test-Events und die Zeitpunkte basierend auf den Eingangsparametern kodiert und entsprechend erzeugt werden.
In anderen Ausführungsbeispielen können die Zeitpunkte der zeitlichen Abfolge extern in einem Hash-Generator basierend auf den Eingangsparametern kodiert werden. In solchen Ausführungsbeispielen kann die Kodierung bspw. als binäre Sequenz vorliegen (Abfolge von Bits) und über einen Signaleingang an den Testmuster-Generator übergeben werden, der basierend auf der erhaltenen binären Sequenz die zeitliche Abfolge von Test-Events erzeugt. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Hash-Generator auch in den Testmuster-Generator integriert sein. Grundsätzlich sind die Eingangsparameter dem Testmuster-Generator somit bekannt bzw. vorgegeben.
Eine Erzeugung der zeitlichen Abfolge von Test-Events basierend auf den Eingangsparametern erlaubt, dass sich dadurch die zeitliche Abfolge von Mal zu Mal ändert, wodurch über einen gewissen Zeitraum betrachtet ein Großteil der möglichen Zeitpunkte bzw. Zeitintervalle getestet werden können. Dadurch lässt sich das gesamte System testen, Fehlfunktionen in der Distanzbestimmung entdecken und die Zuverlässigkeit erhöhen.
Ein System für eine optische Laufzeitmessung, insbesondere ein LIDAR-System, wie hierin vorausgesetzt, kann in manchen Ausführungsbeispielen ein Empfangssystem aufweisen, wobei jedes der lichtdetektierenden Empfangselemente dazu eingerichtet ist, Licht zu detektieren und in Reaktion darauf ein elektrisches Signal zu erzeugen.
In manchen Ausführungsbeispielen sind die lichtdetektierenden Empfangselemente in der Empfangsmatrix in Spalten und in Zeilen angeordnet (wie es grundsätzlich bekannt ist), wobei bei manchen Ausführungsbeispielen ohne Beschränkung der Allgemeinheit in jeder Zeile gleich viele lichtdetektierende Empfangselemente vorgesehen sind.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Empfangssystem mehrere Histogrammkanäle, wobei jeweils ein Histogrammkanal mit den lichtdetektierenden Empfangselementen in einer Spalte oder jeweils ein Histogrammkanal mit den lichtdetektierenden Empfangselementen in einer Zeile verbunden ist.
In manchen Ausführungsbeispielen ist jeder der Histogrammkanäle dazu eingerichtet, die zeitkorrelierten Histogrammdaten basierend auf den elektrischen Signalen der lichtdetektierenden Empfangselemente zu erzeugen.
In manchen Ausführungsbeispielen ist der Eingangsparameter ein Bildzähler.
Ein Bildzähler kann bei manchen Ausführungsbeispielen die Anzahl der bis zu diesem Zeitpunkt durchgeführten Messungen sein. Eine Messung entspricht in solchen Ausführungsbeispielen dem Aussenden eines oder mehrerer Lichtpulse und der Aufnahme von zeitkorrelierten Histogrammdaten.
In manchen Ausführungsbeispielen ist der Eingangsparameter ein Zeilenindex einer Empfangsmatrix.
Wie oben erwähnt, kann ein System für die optische Laufzeitmessung ein Empfangssystem mit einer Empfangsmatrix aufweisen. In solchen Ausführungsbeispielen kann der Zeilenindex einer Zeile der Empfangsmatrix entsprechen.
In manchen Ausführungsbeispielen ist der Eingangsparameter eine Systemzeit.
Eine Systemzeit kann in manchen Ausführungsbeispielen eine Uhrzeit sein, die in dem System für die optische Laufzeitmessung eingestellt ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Systemzeit eine Zeit sein, die seit der Inbetriebnahme des Systems oder bezüglich anderer Referenzzeitpunkte vergangen ist.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Einrichtung einen Hash-Generator, der dazu eingerichtet, aus den Eingangsparametern einen Bitvektor zu erzeugen und auf diesen eine Hash-Funktion anzuwenden, um eine binäre Sequenz zu erzeugen.
Der Hash-Generator kann bei manchen Ausführungsbeispielen die Eingangsparameter erhalten und aus den Eingangsparametern einen Bitvektor erzeugen. Der Bitvektor kann in manchen Ausführungsbeispielen eine Aneinanderreihung bzw. Zusammenfassung von binären Sequenzen sein, die die Eingangsparameter repräsentieren. Der Hash-Generator kann in manchen Ausführungsbeispielen auf diesen Bitvektor eine Hash-Funktion anwenden, was grundsätzlich bekannt ist, um eine binäre Sequenz zu erzeugen. In solchen Ausführungsbeispielen sind die Zeitpunkte der zeitlichen Abfolge von Test-Events kodiert, wobei die Zeitpunkte eindeutig aus der binären Sequenz hervorgehen. Vorzugsweise ist die Anzahl der Bits des Bitvektors größer (bspw. 64 Bits) als die Anzahl der Bits der binären Sequenz (bspw. 8 oder 16 Bits), ohne dass die Erfindung auf diese Fälle beschränkt ist.
Der Hash-Generator kann dabei grundsätzlich ein elektronischer Schaltkreis bzw. eine elektronische Schaltung sein. Der elektronische Schaltkreis kann elektronische Komponenten, digitale Speicherelemente, Signaleingänge (um analoge und/oder digitale Signale zu erhalten), Signalausgänge (um analoge und/oder digitale Signale auszugeben) und dergleichen enthalten, um die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen. Der elektronische Schaltkreis kann bei manchen Ausführungsbeispielen durch ein FPGA (Field Programmable Gate Array), DSP (Digitaler Signalprozessor), einen Mikroprozessor oder dergleichen realisiert sein. Der Hash-Generator kann in manchen Ausführungsbeispielen in den Testmuster-Generator integriert sein.
Folglich wird die zeitliche Abfolge von Test-Events in manchen Ausführungsbeispielen weiter basierend auf der binären Sequenz erzeugt, wie oben ausgeführt.
In manchen Ausführungsbeispielen sind die Test-Events in der zeitlichen Abfolge von Test-Events identisch.
Dies ist vorteilhaft, da ein entsprechender elektronischer Schaltkreis in dem Testmuster-Generator kostengünstiger hergestellt werden kann. Außerdem wird in solchen Ausführungsbeispielen jedem Test-Event die gleiche Relevanz für das Testen der Distanzbestimmung beigemessen.
Im Folgenden werden Beispiele zur Kodierung der Zeitpunkte der zeitlichen Abfolge von Test-Events basierend auf den Eingangsparametern beschrieben.
Ein erstes Beispiel der Kodierung der Zeitpunkte beinhaltet die Erzeugung einer binären Sequenz aus zwei Bits, welche aus einem Bitvektor aus den Eingangsparametern über eine Hash-Funktion bestimmt wird. Der zeitliche Abstand zwischen möglichen Test-Events entspricht dabei ohne Beschränkung der Allgemeinheit einer Distanz von 1 m. Am Startzeitpunkt wird kein Test-Event erzeugt und bei 1 m wird ein Synchronisationsevent (erstes Test-Event) erzeugt. Durch die zwei Bits können dann vier weitere mögliche Test-Events kodiert werden:

• erstes Bit = 1, Test-Event bei 2 m;
• erstes Bit = 0, Test-Event bei 3 m;
• zweites Bit = 1, Test-Event bei 4 m; und
• zweites Bit = 0, Test-Event bei 5 m.

Ein zweites Beispiel der Kodierung der Zeitpunkte beinhaltet die Berücksichtigung der Zeitauflösung (Distanzauflösung) des Systems, einen Bildzähler, einen Zeilenindex und ein Synchronisationsevent. Die Zeitauflösung des Systems kann bspw. 10 cm sein. Der zeitliche Abstand zweier Zeitpunkte kann bspw. 0.5 m sein. Ein erstes Test-Event wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit bei 1 m erzeugt (Synchronisationsevent). Der Bildzähler kann bspw. in einer Berechnung einer Modulo-Operation verwendet werden: Bildzähler mod 16. Entsprechend dem erhaltenen Modulo wird ein zweites Test-Event in dem Distanzbereich von 1.5 m - 7.5 m erzeugt, z.B. Bildzähler mod 16 = 1 erzeugt ein zweites Test-Event bei 1.5 m usw. Der Zeilenindex kann in einer Empfangsmatrix bspw. 100 Werte annehmen. Entsprechend dem Zeilenindex kann in dem Distanzbereich von 8 m - 58 m ein drittes Test-Event erzeugt werden. Durch eine Distanzverschiebung bezüglich des Synchronisationsevents können mehrere Distanzbereiche erhalten werden. Die Distanzverschiebung kann auch relativ zum vorherigen Test-Event gesetzt werden.
Ein drittes Beispiel der Kodierung der Zeitpunkte beinhaltet die Erzeugung einer binären Sequenz aus 16 Bits, welche aus einem Bitvektor aus den Eingangsparametern über eine Hash-Funktion bestimmt wird. Die ersten 8 Bits bilden einen ersten Hash-Vektor und die zweiten 8 Bits bilden einen zweiten Hash-Vektor. Die Zeitauflösung des Systems kann bspw. 10 cm sein. Der zeitliche Abstand zweier Zeitpunkte kann bspw. 0.5 m sein. Ein Synchronisationsevent (erstes Test-Event) wird bei 1 m erzeugt. Der erste und der zweite Hash-Vektor kodieren jeweils 256 Zeitpunkte. Entsprechend wird ein zweites Test-Event in dem Distanzbereich von 1.5 m - 129.5 m und ein drittes Test-Event in dem Distanzbereich von 130 m - 258 m.
Manche Ausführungsbeispiele betreffen eine Messeinrichtung zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung, umfassend:

eine Einrichtung wie hierin beschrieben; und
mindestens einen Test-Histogrammkanal, der dazu eingerichtet ist, die vom Testmuster-Generator erzeugte zeitliche Abfolge von Test-Events zu erhalten und darauf basierend zeitkorrelierte Test-Histogrammdaten zu erzeugen.

Die Messeinrichtung kann dabei grundsätzlich ein Teil eines Systems zur optischen Laufzeitmessung sein, die zum Testen der Distanzbestimmung der optischen Laufzeitmessung eingerichtet ist. Mindestens ein Test-Histogrammkanal kann in manchen Ausführungsbeispielen zur Erzeugung von zeitkorrelierten Test-Histogrammdaten enthalten sein, um ein kontinuierliches Testen der Distanzbestimmung zu gewährleisten.
In manchen Ausführungsbeispielen stellt der Test-Histogrammkanal die erzeugten zeitkorrelierten Test-Histogrammdaten einer Peak-Detektionseinheit bereit, die daraus Distanzen bestimmt.
Die Peak-Detektionseinheit kann aus zeitkorrelierten (Test-)Histogrammdaten in manchen Ausführungsbeispielen basierend auf Signalhöhen und/oder Signalformen von verschiedenen Signalbeiträgen, Zeitpunkte von Signalbeiträgen und/oder dergleichen Zeitpunkte bzw. Distanzen bestimmen, was grundsätzlich bekannt ist. In manchen Ausführungsbeispielen werden die zeitkorrelierten Test-Histogrammdaten von der Peak-Detektionseinheit wie die zeitkorrelierten Histogrammdaten einer normalen Messung analysiert. Die Peak-Detektionseinheit gibt bei manchen Ausführungsbeispielen die bestimmten Distanzen aus den korrespondierenden zeitkorrelierten (Test-)Histogrammdaten an eine Test-Einheit aus.
Die Peak-Detektionseinheit kann dabei grundsätzlich ein elektronischer Schaltkreis bzw. eine elektronische Schaltung sein. Der elektronische Schaltkreis kann elektronische Komponenten, digitale Speicherelemente, Signaleingänge (um analoge und/oder digitale Signale zu erhalten), Signalausgänge (um analoge und/oder digitale Signale auszugeben) und dergleichen enthalten, um die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen. Der elektronische Schaltkreis kann bei manchen Ausführungsbeispielen durch ein FPGA (Field Programmable Gate Array), DSP (Digitaler Signalprozessor), einen Mikroprozessor oder dergleichen realisiert sein. In weiteren Ausführungsbeispielen ist die Peak-Detektionseinheit durch eine Software realisiert, wobei in solchen Ausführungsbeispielen die Signaleingänge den Parametern/Attributen einer Software-Funktion/-Methode entsprechen. Die Bestimmung der Distanzen entspricht dann einer Ausführung einer Abfolge von Befehlen zur Ausführung bestimmter Rechenoperationen auf einem Computer, sodass nach Abarbeitung aller Befehle die Distanzen vorliegen. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Peak-Detektionseinheit auch durch eine Mischung von hard- und softwarebasierten Komponenten realisiert, auf welche die hierin beschriebenen Funktionalitäten entsprechend verteilt sind.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Messeinrichtung weiter eine Test-Einheit, die dazu eingerichtet ist, die von der Peak-Detektionseinheit bestimmten Distanzen zu erhalten und Zeitpunkte der zeitlichen Abfolge von Test-Events zu erhalten, um aus diesen Zeitpunkten nominelle Distanzen zu bestimmen.
Die Test-Einheit kann dabei grundsätzlich ein elektronischer Schaltkreis bzw. eine elektronische Schaltung sein. Der elektronische Schaltkreis kann elektronische Komponenten, digitale Speicherelemente, Signaleingänge (um analoge und/oder digitale Signale zu erhalten), Signalausgänge (um analoge und/oder digitale Signale auszugeben) und dergleichen enthalten, um die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen. Der elektronische Schaltkreis kann bei manchen Ausführungsbeispielen durch ein FPGA (Field Programmable Gate Array), DSP (Digitaler Signalprozessor), einen Mikroprozessor oder dergleichen realisiert sein. In weiteren Ausführungsbeispielen ist die Test-Einheit durch eine Software realisiert, wobei in solchen Ausführungsbeispielen die Signaleingänge den Parametern/Attributen einer Software-Funktion/-Methode entsprechen. Die Bestimmung der nominellen Distanzen entspricht dann einer Ausführung einer Abfolge von Befehlen zur Ausführung bestimmter Rechenoperationen auf einem Computer, sodass nach Abarbeitung aller Befehle die Distanzen vorliegen. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Peak-Detektionseinheit auch durch eine Mischung von hard- und softwarebasierten Komponenten realisiert, auf welche die hierin beschriebenen Funktionalitäten entsprechend verteilt sind.
Die Test-Einheit kann bei manchen Ausführungsbeispielen die bestimmten Distanzen (welche aus den zeitkorrelierten Test-Histogrammdaten bestimmt wurden) von der Peak-Detektionseinheit an einem Signaleingang erhalten. In manchen Ausführungsbeispielen kann die Test-Einheit die Zeitpunkte der zeitlichen Abfolge von Test-Events von dem Testmuster-Generator erhalten. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Test-Einheit die Eingangsparameter erhalten und die Zeitpunkte der zeitlichen Abfolge von Test-Events daraus erhalten. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Test-Einheit eine binäre Sequenz von einem Hash-Generator erhalten und daraus die die Zeitpunkte der zeitlichen Abfolge von Test-Events erhalten.
Aus den erhaltenen Zeitpunkten der zeitlichen Abfolge von Test-Events kann die Test-Einheit nominelle Distanzen bestimmen. Die nominellen Distanzen entsprechen dabei den durch die Zeitpunkte der zeitlichen Abfolge von Test-Events vorgegebenen Distanzen. Eine Abweichung zwischen den bestimmten Distanzen von der Peak-Detektionseinheit und den nominellen Distanzen erlaubt Rückschlüsse auf Fehlfunktion bei der Distanzbestimmung bei der optischen Laufzeitmessung.
Daher ist die Test-Einheit in manchen Ausführungsbeispielen weiter dazu eingerichtet, basierend auf einer Abweichung zwischen den bestimmten Distanzen und den nominellen Distanzen ein Fehlersignal zu erzeugen.
Das Fehlersignal kann dabei anzeigen, ob die Abweichung zwischen den bestimmten Distanzen von der Peak-Detektionseinheit und den nominellen Distanzen innerhalb eines Toleranzbereichs liegt. Der Toleranzbereich kann experimentell bestimmt worden sein, aus der Erfahrung gewonnen sein oder aus den Systemparametern (Jitter, Zeitauflösung, etc.) oder dergleichen.
Folglich wird das Fehlersignal in manchen Ausführungsbeispielen aufgrund einer Abweichung erzeugt, die außerhalb eines Toleranzbereichs liegt.
Das Testen der Distanzbestimmung der optischen Laufzeitmessung basierend auf einer zeitlichen Abfolge von Test-Events kann verschiedene Fehlfunktionen des Systems entdecken, z. B.:

• eine fehlerhafte Konfiguration der Zeitskala;
• eine fehlerhafte Konfiguration der Distanzskalierung;
• eine fehlerhafte Konfiguration oder Fehlfunktion der Peak-Detektionseinheit;
• ein falscher Zeitbezugspunkt; oder
• einen falschen Zeilenindex oder Bildzähler (bspw. wiederholte Daten).

Manche Ausführungsbeispiele betreffen ein Verfahren zum Erzeugen von Testdaten zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung, umfassend:

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in der:

1 eine Kodierung der Zeitpunkte einer zeitlichen Abfolge von Test-Events veranschaulicht;
2 in einem Blockdiagramm ein Ausführungsbeispiel eines Systems für eine optische Laufzeitmessung veranschaulicht; und
3 in einem Ablaufdiagramm ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Erzeugen von Testdaten zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung veranschaulicht.

1 veranschaulicht die Kodierung der Zeitpunkte der zeitlichen Abfolge von Test-Events.
In dem Diagramm in 1 ist die horizontale Achse eine Distanz (Zeit). Die vertikale Achse ist dimensionslos und dient nur der Veranschaulichung der Zeitpunkte. Die vertikalen Striche zeigen die Distanz (Zeitpunkt) bei denen ein Test-Event erzeugt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel wird eine binäre Sequenz aus drei Bits von einem Hash-Generator (nicht gezeigt) erzeugt. Die binäre Sequenz wurde durch Anwenden einer Hash-Funktion auf einem Bitvektor bestimmt, welcher aus einem Bildzähler und einem Zeilenindex erzeugt wurde. Das erste Bit der binären Sequenz ist gleich 0, das zweite und dritte Bit ist jeweils gleich 1. Der zeitliche Abstand zwischen den Test-Events ist konstant und entspricht einer Distanz von 1 m. Am Startzeitpunkt wird kein Test-Event erzeugt und bei 1 m wird ein Synchronisationsevent (erstes Test-Event) erzeugt. Basierend auf der binären Sequenz wird bei 3 m ein zweites Test-Event, bei 4 m ein drittes Test-Event und bei 6m ein viertes Test-Event erzeugt.
2 veranschaulicht in einem Blockdiagramm das Ausführungsbeispiel des Systems 1 für die optische Laufzeitmessung.
Das System 1 für die optische Laufzeitmessung ist ein LIDAR-System und operiert wie folgt: ein Puls-Generator 2 gibt ein elektronisches Startsignal zum Starten der optischen Laufzeitmessung aus. Ein Sendesystem 3 sendet in Reaktion auf das elektronische Startsignal einen Lichtpuls aus, welcher an einem Objekt 4 reflektiert wird. Das reflektierte Licht erreicht ein Empfangssystem 5, welches eine Empfangsmatrix (nicht gezeigt) mit lichtdetektierenden Empfangselementen (hier SPADs) angeordnet in 128 Zeilen und 256 Spalten aufweist. Die lichtdetektierenden Empfangselemente erzeugen in Reaktion auf das einfallende Licht elektrische Signale, die ein Histogrammkanal 6 erhält. Der Histogrammkanal 6 erhält außerdem das elektronische Startsignal zur Synchronisation und erzeugt basierend auf den erhaltenden elektrischen Signalen zeitkorrelierte Histogrammdaten.
Parallel zur optischen Laufzeitmessung erzeugt eine Einrichtung 7 eine zeitliche Abfolge von Test-Events. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Test-Events identisch und werden an Zeitpunkten gemäß 1 erzeugt. Die Einrichtung 7 erhält zur Synchronisation das elektronische Startsignal an einem Testmuster-Generator 8. Die Einrichtung 7 weist weiter einen Hash-Generator 9 auf, der basierend auf einem Bildzähler und einem Zeilenindex die binäre Sequenz aus 1 erzeugt. Der Hash-Generator 9 übergibt die binäre Sequenz an den Testmuster-Generator 8, der basierend auf der binären Sequenz die zeitliche Abfolge von Test-Events erzeugt. Diese wird von dem Testmuster-Generator 8 an einen Test-Histogrammkanal 10 übergeben, welcher basierend auf der erhaltenen zeitlichen Abfolge von Test-Events, zeitkorrelierte Test-Histogrammdaten erzeugt. Der Test-Histogrammkanal 10 erhält zur Synchronisation das elektronische Startsignal.
In diesem Ausführungsbeispiel schaltet ein Umschalter 11 zwischen den zeitkorrelierten Histogrammdaten und den zeitkorrelierten Test-Histogrammdaten, wenn der Bildzähler sich wieder um vier erhöht hat. Falls der Umschalter 11 die zeitkorrelierten Histogrammdaten durchlässt, werden diese einer Peak-Detektionseinheit 12 übergeben, die aus den zeitkorrelierten Histogrammdaten Objekt-Distanzen bestimmt. Ein weiterer Umschalter 13 schaltet die bestimmten Objekt-Distanzen zu einem Prozessor 14, der aus den Objekt-Distanzen ein dreidimensionales Abbild des Objekts 4 erzeugt.
Falls der Umschalter 11 die zeitkorrelierten Test-Histogrammdaten durchlässt, werden diese der Peak-Detektionseinheit 12 übergeben, die aus den zeitkorrelierten Test-Histogrammdaten Distanzen bestimmt. Der Umschalter schaltet die bestimmten Distanzen zu einer Test-Einheit 15. Die Test-Einheit 15 erhält von dem Testmuster-Generator die Zeitpunkte der zeitlichen Abfolge von Test-Events und bestimmt daraus nominelle Distanzen. Die Test-Einheit 15 vergleicht die bestimmten Distanzen und die nominellen Distanzen und gibt ein Fehlersignal aus.
3 veranschaulicht in einem Ablaufdiagramm das Ausführungsbeispiel für das Verfahren 20 zum Erzeugen von Testdaten zum Testen der Distanzbestimmung bei der optischen Laufzeitmessung.
Bei 21 wird eine zeitliche Abfolge von Test-Events erzeugt, um diese einem Test-Histogrammkanal zur Erzeugung von zeitkorrelierten Test-Histogrammdaten zum Testen der Distanzbestimmung bei der optischen Laufzeitmessung bereitzustellen, wie hierin ausgeführt.
Bezugszeichenliste

1: System
2: Puls-Generator
3: Sendesystem
4: Objekt
5: Empfangssystem
6: Histogrammkanal
7: Einrichtung
8: Testmuster-Generator
9: Hash-Generator
10: Test-Histogrammkanal
11, 13: Umschalter
12: Peak-Detektionseinheit
14: Prozessor
15: Test-Einheit
20: Verfahren
21: Erzeugen einer zeitlichen Abfolge von Test-Events, um diese einem Test-Histogrammkanal zur Erzeugung von zeitkorrelierten Test- Histogrammdaten zum Testen der Distanzbestimmung bei der optischen Laufzeitmessung bereitzustellen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017/081294 [0003]

Claims

Einrichtung (7) zum Erzeugen von Testdaten zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung, umfassend: einen Testmuster-Generator (8), der dazu eingerichtet ist, eine zeitliche Abfolge von Test-Events zu erzeugen, um diese einem Test-Histogrammkanal (10) zur Erzeugung von zeitkorrelierten Test-Histogrammdaten zum Testen der Distanzbestimmung bei der optischen Laufzeitmessung bereitzustellen.
Einrichtung (7) nach Anspruch 1, wobei ein zeitlicher Abstand zweier Zeitpunkte zweier zeitlich aufeinanderfolgenden Test-Events in der erzeugten zeitlichen Abfolge von Test-Events auf einer Zeitauflösung der optischen Laufzeitmessung basiert.
Einrichtung (7) nach Anspruch 2, wobei die zeitliche Abfolge von Test-Events basierend auf mindestens einem Eingangsparameter erzeugt wird.
Einrichtung (7) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Eingangsparameter ein Bildzähler ist.
Einrichtung (7) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Eingangsparameter ein Zeilenindex einer Empfangsmatrix ist.
Einrichtung (7) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Eingangsparameter eine Systemzeit ist.
Einrichtung (7) nach einem Ansprüche 2 bis 6, weiter umfassend: einen Hash-Generator (9), der dazu eingerichtet, aus den Eingangsparametern einen Bitvektor zu erzeugen und auf diesen eine Hash-Funktion anzuwenden, um eine binäre Sequenz zu erzeugen.
Einrichtung (7) nach Anspruch 7, wobei die zeitliche Abfolge von Test-Events weiter basierend auf der binären Sequenz erzeugt wird.
Einrichtung (7) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Test-Events in der zeitlichen Abfolge von Test-Events identisch sind.
Messeinrichtung zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung, umfassend: eine Einrichtung (7) nach einem der vorherigen Ansprüche; und mindestens einen Test-Histogrammkanal (10), der dazu eingerichtet ist, die vom Testmuster-Generator (8) erzeugte zeitliche Abfolge von Test-Events zu erhalten und darauf basierend zeitkorrelierte Test-Histogrammdaten zu erzeugen.
Messeinrichtung nach Anspruch 10, wobei der Test-Histogrammkanal (10) die erzeugten zeitkorrelierten Test-Histogrammdaten einer Peak-Detektionseinheit (12) bereitstellt, die daraus Distanzen bestimmt.
Messeinrichtung nach Anspruch 11, weiter umfassend: eine Test-Einheit (15), die dazu eingerichtet ist, die von der Peak-Detektionseinheit (12) bestimmten Distanzen zu erhalten und Zeitpunkte der zeitlichen Abfolge von Test-Events zu erhalten, um aus diesen Zeitpunkten nominelle Distanzen zu bestimmen.
Messeinrichtung nach Anspruch 12, wobei die Test-Einheit (15) weiter dazu eingerichtet ist, basierend auf einer Abweichung zwischen den bestimmten Distanzen und den nominellen Distanzen, ein Fehlersignal zu erzeugen.
Messeinrichtung nach Anspruch 13, wobei das Fehlersignal aufgrund einer Abweichung erzeugt wird, die außerhalb eines Toleranzbereichs liegt.
Verfahren (20) zum Erzeugen von Testdaten zum Testen einer Distanzbestimmung bei einer optischen Laufzeitmessung, umfassend: Erzeugen (21) einer zeitlichen Abfolge von Test-Events, um diese einem Test-Histogrammkanal zur Erzeugung von zeitkorrelierten Test-Histogrammdaten zum Testen der Distanzbestimmung bei der optischen Laufzeitmessung bereitzustellen.