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Die vorliegende Erfindung betrifft einen LiDAR-Sensor, insbesondere einen Vertical Flash LiDAR-Sensor, mit einer Laserquelle, die dazu eingerichtet ist, ein Lasersignal in einen Sendepfad zu emittieren, und mit einem Pixeldetektor, der mindestens ein Makropixel-Array aufweist, das dazu eingerichtet ist, ein reflektiertes Lasersignal in einem Empfangspfad zu detektieren.
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Stand der Technik
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In den kommenden Jahren wird hoch- oder vollautomatisiertes Fahren mit Kraftfahrzeugen (Level 3 - 5) immer häufiger im Straßenverkehr anzutreffen sein. Diese Automatisierung des Fahrens von Kraftfahrzeugen wird durch verschiedene Konzepte erreicht. Allen diesen Konzepten ist gemeinsam, dass sie Sensoren benötigen, um die Umgebung des autonomen fahrenden Kraftfahrzeugs zu erfassen. Hierzu können verschiedene Sensoren zum Einsatz kommen, wie beispielsweise Videokameras, Radar- oder Ultraschallsensoren. Einer besonderen Art des Sensors kommt dabei eine immer wichtigere Rolle zu. Hierbei handelt es sich um LiDAR-Sensoren. Dies sind optische Sensoren, die mittels einer Laserquelle ein Lasersignal in einen Empfangspfad aussenden. Das ausgesendete Lasersignal wird an den Objekten der Umgebung des LiDAR-Sensors und zurück in den LiDAR-Sensor reflektiert. Dort wird das reflektierte Lasersignal typischerweise in einem Pixeldetektor detektiert. So wird eine 3D-Punktewolke der Umgebung erzeugt. Dabei kann der LiDAR-Sensor als ein Vertical Flash Makro-Scanner ausgebildet sein. Diese Art des LiDAR-Sensors erzeugt eine horizontale Ablenkung des emittierten Lasersignals durch einen rotierenden Scanner (zum Beispiel ein rotierender Spiegel oder ein rotierendes Sende- und Empfangsmodul) und eine vertikale Ablenkung durch Emittieren eines vertikal divergenten Lasersignals. Dieses vertikal emittierte Lasersignal wird im Empfangspfad auf den Pixeldetektor abgebildet. Dieser Pixeldetektor kann mindestens ein Mikropixel-Array aufweisen. Das Mikropixel-Array kann beispielsweise mittels mehrerer Dioden realisiert sein. Diese Mikropixel-Arrays werden typischerweise zur Verbesserung der Statistik zusammengefasst und gemeinsam ausgewertet. Man spricht dann von einem Makropixel-Array. Der Pixeldetektor kann somit mindestens ein Makropixel-Array aufweisen. Insbesondere bei der Nutzung von binären Pixeldetektoren, wie Single Photon Avalanche Dioden (SPAD), ist eine Verbesserung der Statistik durch den Zusammenschluss von Mikropixeln sinnvoll.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein LiDAR-Sensor zur Verfügung gestellt, bei dem der Pixeldetektor dazu eingerichtet ist, in jedem seiner Messpunkte mindestens zwei Makropixel-Arrays auszuwerten.
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Vorteile der Erfindung
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In einem LiDAR-Sensor gibt es häufig zwei Anforderungen an die Abbildung der Umgebung. Zum einen soll der LiDAR-Sensor eine hohe Reichweite aufweisen. Hierdurch können Objekte in großen Entfernungen zu dem LiDAR-Sensor bereits frühzeitig detektiert werden. Andererseits ist es wichtig, in der unmittelbaren Umgebung des LiDAR-Sensors eine möglichst genaue Orts- und Größenbestimmung der vorhandenen Objekte durchzuführen. Hierzu wird eine möglichst hohe Winkelauflösung des LiDAR-Sensors benötigt. Diese zwei Anforderungen an den LiDAR-Sensor sind jedoch typischerweise gegenläufig, sodass ein Kompromiss zwischen ihnen gefunden werden muss. Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, mindestens zwei Makropixel-Arrays in jedem Messpunkt des Pixeldetektors auszuwerten. Hierdurch können die Anforderungen an die hohe Reichweite des LiDAR-Sensors und an die hohe Winkelauflösung des LiDAR-Sensors auf mindestens zwei unterschiedliche Makropixel-Arrays verteilt werden. Die beiden gegenläufigen Anforderungen können zeitgleich erfüllt werden. Sowohl eine hohe Reichweite als auch eine hohe Winkelauflösung können erreicht werden. Hierzu ist keine zusätzliche Hardware in dem LiDAR-Sensor erforderlich, sondern lediglich eine entsprechende Konfiguration der Makropixel-Arrays. Ein solcher LiDAR-Sensor kann entsprechend kostengünstig bereitgestellt werden.
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Auch ist es möglich, dass die mindestens zwei ausgewerteten Makropixel-Arrays eine unterschiedliche Breite aufweisen.
Die unterschiedliche Breite der zwei ausgewerteten Makropixel-Arrays stellt zwei Makropixel-Arrays mit unterschiedlichen Konfigurationen bereit. Es kann ein „schmales“ Makropixel-Array vorgesehen sein. Dieses schmale Makropixel-Array ermöglicht eine hohe Winkelauflösung des LiDAR-Sensors. Innerhalb des Makropixels kommt es zu einer homogenen Verteilung der Intensität des reflektierten Lasersignals. Es wird eine genaue Orts- und Größenbestimmung von Objekten in der Nähe des LiDAR-Sensors möglich. Zum anderen wird ein „breites“ Makropixel-Array vorgesehen sein. Dieses breite Makropixel-Array ermöglicht eine Maximierung der Reichweite bei niedrig-reflexiven Objekten. Es wird eine frühzeitige Detektion von Objekten in großen Entfernungen von dem LiDAR-Sensor möglich. Diese unterschiedliche Konfiguration der mindestens zwei ausgewerteten Makropixel-Arrays kann ebenso zu einer Erhöhung des Dynamikbereichs für Signalintensitäten des LiDAR-Sensors führen. Stark reflektierende Objekte können beispielsweise das schmale Makropixel-Array in die Sättigung treiben, da die Intensität des reflektierten Lasersignals zu hoch ist. Damit ist eine korrekte Intensitätsmessung nicht mehr möglich. Wird nun allerdings derselbe Messpunkt auch über das breite Makropixel-Array ausgewertet, kann die Intensität des Lasersignals unter Umständen noch aufgelöst werden.
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In einer besonderen Ausführungsform weist ein erstes ausgewertetes Makropixel-Array eine Breite auf, die auf eine Breite des reflektierten Lasersignals abgestimmt ist.
Bei dem ersten ausgewerteten Makropixel-Array handelt es sich um das schmale Makropixel-Array. Der Scanschritt des LiDAR-Sensors kann damit genau der Breite des schmalen Makropixel-Arrays entsprechen. Bei einem Vertical Flash LiDAR-Sensor kann es sich dabei beispielsweis um die horizontale Breite des Lasersignals handeln. Das schmale Makropixel-Array erlaubt dann eine höhere horizontale Auflösung. Die Winkelauflösung wird erhöht. Es lassen sich Ort und Größe von Objekten präzise bestimmen.
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Auch ist von Vorteil, dass das erste ausgewertete Makropixel-Array dazu eingerichtet ist, das reflektierte Lasersignal in einem Plateau des reflektierten Lasersignals zu detektieren.
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Hierdurch wird zusätzlich zu der höheren horizontalen Auflösung in einem Vertical Flash LiDAR-Sensor ebenso eine homogene Verteilung der Intensität des Lasersignals über die Breite des ersten ausgewerteten Makropixel-Arrays erreicht. Damit können Objekte überall im ersten ausgewerteten Makropixel-Array gleich stark detektiert werden.
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Sodann ist vorteilhaft, dass ein zweites ausgewertetes Makropixel-Array eine Breite aufweist, die größer ist als die Breite des ersten ausgewerteten Makropixel-Arrays.
Das zweite ausgewertete Makropixel-Array entspricht dem breiten Makropixel-Array. Neben der Detektion des Lasersignals in einem Plateau des Lasersignals werden hier ebenso die seitlich von dem Plateau des Lasersignals abfallenden Flanken der Intensität des Lasersignals mit gemessen. Hierdurch kann dann zwar keine homogene Verteilung der Intensität des Lasersignals mehr erreicht werden. Allerdings wird die Sensitivität des zweiten ausgewerteten Makropixel-Arrays erhöht. Die homogene Verteilung ist dennoch durch simultane Auswertung des ersten Makropixel-Arrays sichergestellt.
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Mit Vorteil kann vorgesehen sei, dass die Breite des zweiten ausgewerteten Makropixel-Arrays mindestens 85% der Breite des reflektierten Lasersignals abdeckt.
Hierdurch kann das Signal-Rausch-Verhältnis des zweiten ausgewerteten Makropixel-Arrays optimiert werden. Es werden so mindestens 85% der Breite des Lasersignals abgedeckt. Es wird das bestmögliche Signal-Rausch-Verhältnis eingestellt. Die Sensitivität des LiDAR-Sensors wird erhöht. Es ergibt sich eine hohe Reichweite des LiDAR-Sensors.
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Schließlich ist vorteilhaft, dass die Messdaten der mindestens zwei ausgewerteten Makropixel-Arrays parallel in eine Punktewolke ausgegeben werden oder wobei die Messdaten eines der mindestens zwei ausgewerteten Makropixel-Arrays nach vorbestimmten Bedingungen ausgegeben werden.
Es kann das beste Signal für die Auswertung für jedes reflektierte Lasersignal situationsabhängig ausgewählt werden. Die vorbestimmten Bedingungen zum Ausgeben der Messdaten eines der mindestens zwei Makropixel-Arrays können mittels eines Algorithmus vorgegeben werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1a ein Diagramm der Intensität eines Lasersignals in Abhängigkeit von der Breite eines Makropixel-Arrays;
- 1b ein Diagramm des Signal-Rausch-Verhältnisses in Abhängigkeit von der Breite des Makropixel-Arrays;
- 2 eine Darstellung eines ersten ausgewerteten Makropixel-Arrays und eines zweiten ausgewerteten Makropixel-Arrays sowie einen Querschnitt durch ein assoziiertes Profil eines Lasersignals.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen LiDAR-Sensor, insbesondere einen Vertical Flash LiDAR-Sensor, mit einer Laserquelle, die dazu eingerichtet ist, ein Lasersignal in einen Sendepfad zu emittieren, und mit einem Pixeldetektor, der mindestens ein Makropixel-Array 1, 2 aufweist, das dazu eingerichtet ist, ein reflektiertes Lasersignal in einem Empfangspfad zu detektieren, wobei der Pixeldetektor dazu eingerichtet ist, in jedem seiner Messpunkte mindestens zwei Makropixel-Arrays 1, 2 auszuwerten. Die mindestens zwei Makropixel-Arrays 1, 2 können durch ein erstes ausgewertetes Makropixel-Array 1 und ein zweites ausgewertetes Makropixel-Array 2 bereitgestellt werden. Das zweite ausgewertete Makropixel-Array 2 weist dabei eine Breite 3 auf, die größer ist als eine Breite 4 des ersten ausgewerteten Makropixel-Arrays 1.
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Die Detektion des reflektierten Lasersignals kann die Bestimmung der Intensität 5 des Lasersignals umfassen. Ebenso kann ein Signal-Rausch-Verhältnis 6 des reflektierten Lasersignals erfasst werden.
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In 1a ist daher ein Diagramm 7 dargestellt, das eine Funktion 8 der Intensität 5 des Lasersignals in Abhängigkeit von der Breite 3 des zweiten ausgewerteten Makropixel-Arrays 2 zeigt. Die Breite 3 des zweiten ausgewerteten Makropixel-Arrays 2 ist dabei in Einheiten einer Breite σ des Lasersignals angegeben. Dem liegt beispielhaft folgende Annahme zugrunde. Es wird angenommen, dass das Lasersignal die Form einer „Gauß-Glocke“ aufweist. Diese Gauß-Glocke hat die Breite σ. Weiterhin wird angenommen, dass das Rauschen des Hintergrundlichts einer Poisson-Verteilung folgt und von dieser dominiert ist.
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Entsprechend ist in 1b ein Diagramm 9 dargestellt, dass eine Funktion 10 des Signal-Rausch-Verhältnisses 6 in Abhängigkeit von der Breite 3 des zweiten ausgewerteten Makropixel-Arrays 2 angibt. Die Breite 3 ist wieder in Einheiten der Breite σ des Lasersignals angegeben. Darin ist zu erkennen, dass es eine Linie 11 gibt, die das Maximum des Signal-Rausch-Verhältnisses 6 schneidet. Diese Linie 11 liegt bei einer Breite 3 des zweiten ausgewerteten Makropixel-Arrays 2, die etwa dem 1,4-fachen der Breite σ des Lasersignals entspricht. An diesem Maximum sind bereits 85% des Lasersignals abgedeckt.
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Mit anderen Worten kann man das optimale Signal-Rausch-Verhältnis 6 erzielen, wenn man die Breite 3 des zweiten ausgewerteten Makropixel-Arrays 2 so wählt, dass 85% des Lasersignals abgedeckt sind. Dabei ist jedoch zu beachten, dass in diesem Punkt keine homogene Intensität 5 des Lasersignals mehr innerhalb des zweiten ausgewerteten Makropixel-Arrays 2 gegeben ist, da die Gauß-Glocke bereits zu stark abgefallen ist. Dennoch lässt sich für das zweite ausgewertete Makropixel-Array 2 eine hohe Sensitivität dank des optimalen Signal-Rausch-Verhältnisses 6 erreichen. Das zweite ausgewertete Makropixel-Array 2 kann eine hohe Reichweite des LiDAR-Sensors erzielen, die eine frühzeitige Detektion von Objekten in großen Entfernungen sicherstellt.
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In 2 ist nun das erste ausgewertete Makropixel-Array 1 neben dem zweiten ausgewerteten Makropixel-Array 2 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Breite 3 des zweiten ausgewerteten Makropixel-Arrays 2 größer ist als die Breite 4 des ersten ausgewerteten Makropixel-Arrays 1. Zusätzlich ist in einem Diagramm 12 das Laserprofil 13 als eine Funktion 14 der Position 15 auf dem Makropixel-Array 1, 2 abgebildet. Die Position 15 ist in Einheiten der Breite σ des Lasersignals dargestellt. Dabei sind auch die Breiten 3, 4 des ersten ausgewerteten Makropixel-Arrays 1 und des zweiten ausgewerteten Makropixel-Arrays 2 abgebildet.
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Die Wahl der Breite 3 des zweiten ausgewerteten Makropixel-Arrays 2 wurde, wie oben bereits beschrieben, auf das 1,4-fache der Breite σ des Lasersignals gewählt. Damit lassen sich wiederum 85% des Lasersignals mittels des zweiten Makropixel-Arrays 2 abdecken. Es ergibt sich ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis 6. Die Sensitivität und die Reichweite des LiDAR-Sensors werden erhöht. Es ist eine frühzeitige Detektion von Objekten in großer Entfernung möglich. Andererseits wird, wie hier erkennbar, die Breite 4 des ersten ausgewerteten Makropixel-Arrays 1 so gewählt, dass sie das Plateau beziehungsweise das Maximum der Funktion 14 umfasst. Zugleich ist dadurch auch eine homogene Verteilung der Intensität 5 zu erreichen. Die zu detektierenden Objekte werden überall auf dem ersten ausgewerteten Makropixel-Array 1 gleich stark detektiert. Damit resultiert eine hohe Winkelauflösung des ersten ausgewerteten Makropixel-Arrays 1. Eine genaue Orts- und Größenbestimmung von Objekten wird möglich.
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Insgesamt kann also ein LiDAR-Sensor mit einer hohen Reichweite und einer hohen Winkelauflösung bereitgestellt werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
