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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Objekten in einer Umgebung mithilfe eines LiDAR-Systems sowie das entsprechende LiDAR-System. Ferner beträgt die Erfindung eine Sensoreinrichtung sowie eine Steuereinrichtung für das LiDAR-System.
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LiDAR-Systeme werden zur Abstandsmessung für verschiedene Einsatzzwecke verwendet, zum Beispiel in der Vermessung, für militärische Anwendungen, sowie zunehmend auch im Automotive-Bereich (autonomes Fahren) und im Endverbrauchermarkt (Consumer-Markt). Einen wesentlichen Bestandteil eines LiDAR-Systems stellt dabei ein LiDAR-Sensor mit einer speziellen Lichtquelle (vorzugsweise ein Laser) dar, die ein zeitlich strukturiertes Lichtsignal aussendet. Das emittierte Licht wird an Objekten in der Umgebung reflektiert und von einer Empfangseinheit des LiDAR-Sensors detektiert. Die Entfernung des LiDAR-Sensors zum Objekt wird dabei anhand der Laufzeit des Signals berechnet. Ein häufig verwendetes Verfahren stellt das „direct Time-of-Flight“ dar, bei dem ein einzelner Lichtpuls ausgesendet wird und anschließend dessen Laufzeit bestimmt wird. Um einen Laserstrahl über eine Szene zu bewegen, existieren mehrere Verfahren. Der Laser kann hierfür zum Beispiel auf einem Rotor platziert werden, sodass der Laserstrahl periodisch in verschiedene Richtungen bewegt wird und den betrachteten Bereich der Umgebung dabei zeilenweise abtastet.
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Mithilfe einer Parallelisierung des Systems, bei dem gleichzeitig mehrere Pixel erfasst werden, kann Erhöhung der Abtastrate erzielt werden. Für eine möglichst hohe Parallelisierung ist es zum Beispiel möglich einen Lichtstrahl in Form einer vertikalen Linie auszusenden. Wird das zurückreflektierte Licht anschließend auf einen zeit- und ortsauflösenden Detektor abgebildet, kann auf diese Weise gleichzeitig eine gesamte „Spalte“ vermessen werden.
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Allerdings wird dieses Verfahren durch Streueffekte erschwert, die zum Beispiel am Eintrittsfenster des LiDAR-Sensors auftreten. Insbesondere für Objekte hoher Reflektivität, wie zum Beispiel Retroreflektoren, Verkehrsschilder oder Kfz-Kennzeichen, können solche Streueffekte signifikante Probleme im System verursachen. Die zurückreflektierten Lichtstrahlen treffen dabei unter scheinbar sehr großen Feldwinkeln auf die Abbildungsoptik des LiDAR-Sensors auf und werden entsprechend auf Pixel abgebildet, unter denen eigentlich kein Signal zu erwarten wäre. Aufgrund der relativ hohen Lichtstärke, welche eine von einem als Retroreflektor ausgebildeten Objekt zurückgeworfene Lichtstrahlung besitzt, ergibt sich für die besagten Pixel eine ausreichend hohe Signalstärke, um ein Auslösen des Detektors an dieser Stelle zu bewirken. Da hierbei nicht sicher entschieden werden kann, ob der Reflex durch Primärlicht oder durch Streulicht entstanden ist, besitzen hochreflektive Targets daher scheinbar eine große vertikale Ausdehnung. Dieses Phänomen verursacht wiederum Probleme in der späteren Verarbeitung der gemessenen Entfernungsdaten und in der Objekterkennung.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit deren Hilfe eine Bearbeitung von falschen Reflexionen unterdrückt bzw. solche falschen Reflexionen eindeutiger identifiziert werden können. Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Detektieren von Objekten in einer Umgebung mithilfe eines LiDAR-Systems vorgesehen, bei dem zunächst eine Sendeeinrichtung des LiDAR-Systems eine zeitlich strukturierte Lichtstrahlung in Form eines primären Lichtpulses emittiert, der einen aktuellen Detektionsbereich der Umgebung beleuchtet. Der primäre Lichtpuls wird dabei von einem Objekt in dem aktuellen Detektionsbereich zurückreflektiert, wobei der zurückreflektierte primäre Lichtpuls mithilfe wenigstens eines dem LiDAR-System zugeordneten Retroreflektors reflektiert wird, um eine den aktuellen Detektionsbereich erneut beleuchtenden sekundären Lichtpuls zu erzeugen. Der sekundären Lichtpuls wird anschließend von dem Objekt in dem aktuellen Detektionsbereich zurückreflektiert. Dabei werden der zurückreflektierte primäre Lichtpuls und der zurückreflektierte sekundäre Lichtpuls mithilfe einer Detektionsanordnung aus mehreren nebeneinander angeordneten Lichtdetektoren empfangen, wobei jeder Lichtdetektor Lichtstrahlung aus jeweils einer anderen Richtung des aktuellen Detektionsbereichs detektiert. Anschließend wird eine von einem Lichtdetektor empfangene Lichtstrahlung einem echten Objekt zugeordnet, wenn der betreffende Lichtdetektor sowohl in zurückreflektierten primären Lichtpuls als auch den zurückreflektierten sekundären Lichtpuls detektiert. Ferner wird eine von einem Lichtdetektor empfangenen Lichtstrahlung einem durch unerwünschte Streueffekte erzeugten Scheinreflex zugeordnet, wenn der betreffende Lichtdetektor zwar den zurückreflektierten primären Lichtpuls aber nicht auch den zurückreflektierten sekundären Lichtpuls detektiert. Das Verfahren ermöglicht somit die Unterscheidung zwischen einem Reflex, der durch Reflexion des primären Lichtpulses an einem echten Objekt entstanden ist, und einem durch Streulicht entstandenen Reflex. Infolgedessen lassen sich bestimmte mit Streueffekten verbundene Artefakte reduzieren, die insbesondere im Zusammenhang mit hochreflektiven Objekten auftreten. Dazu zählt unter anderem die bei hochreflektiven Objekten nur scheinbar vergrößerte vertikale Ausdehnung. Hierdurch wiederum kann die Verarbeitung der gemessenen Entfernungsdaten und die Objekterkennung verbessert werden. Das Verfahren bietet ferner den Vorteil, dass jede Messung eines Objekts de facto doppelt erfolgt. Dabei können Sättigungseffekte, die bei sehr großen Primärsignalen in den Lichtdetektoren auftreten, mithilfe des sekundären Lichtpulses besser erkannt und die Ausgabesignale der entsprechenden Lichtdetektoren in geeigneter Weise korrigiert werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine von einem Lichtdetektor der Empfangseinrichtung empfangenen Lichtstrahlung nur dann als ein zurückreflektierter sekundären Lichtpuls behandelt wird, wenn die Zeitdauer zwischen dem Aussenden des zugehörigen primären Lichtpulses und dem Detektieren des betreffenden zurückreflektierten sekundären Lichtpulses durch den betreffenden Lichtdetektor dem Doppelten der Zeitdauer zwischen dem Aussenden des zugehörigen primären Lichtpulses und dem Detektieren des zurückreflektierten primären Lichtpulses durch den betreffenden Lichtdetektor entspricht. Durch den Vergleich der betreffenden Zeitdauern ist es möglich, die zurückreflektierten sekundären Lichtpulse eindeutig zu identifizieren. Somit lassen sich die insgesamt dreimal reflektierten sekundären Lichtpulse eindeutig von den lediglich einmal reflektierten primären Lichtpulsen unterscheiden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zuordnung einer von einem Lichtdetektor empfangenen Lichtstrahlung zu einem durch unerwünschte Streueffekte erzeugten Scheinreflex dann erfolgt, wenn der betreffende Lichtdetektor lediglich den zurückreflektierten primären Lichtpuls detektiert, während wenigstens ein anderer Lichtdetektor sowohl den zurückreflektierten primären Lichtpuls als auch den zurückreflektierten sekundären Lichtpuls detektiert, wenn eine Lichtstärke des zurückreflektierten primären Lichtpulses einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt und/oder wenn der zurückreflektierte primäre Lichtpuls von allen Lichtdetektoren der Empfangseinrichtung detektiert wird. Hierdurch wird es möglich, die Anwendung des Verfahrens lediglich auf die Fälle zu beschränken, in denen tatsächlich ein hochreflektives Objekt abgetastet wird. Damit wiederum wird sichergestellt, dass primäre Lichtpulse, die von weniger reflektierten Objekten zurückreflektiert werden und folglich lediglich ein einziges Detektorsignal erzeugen, nicht fälschlicherweise als durch Streueffekte verursachte Artefakte klassifiziert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zurückreflektierte sekundäre Lichtpuls mithilfe wenigstens eines Lichtdetektors detektiert und zur Korrektur eines Ausgabesignals des betreffenden Lichtdetektors verwendet wird. Hiermit lassen sich Messfehler aufgrund von Sättigungseffekten bei einem sehr großen Primärsignal vermeiden, da solche sehr großen Primärsignale häufig nicht korrekt verarbeitet werden können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ferner ein LiDAR-System mit einem LiDAR-Sensor und einer Steuereinrichtung vorgesehen. Der LiDAR-Sensor umfasst dabei eine Sendeeinrichtung ausgebildet zum Emittieren einer zeitlich strukturierten Lichtstrahlung in Form eines primären Lichtpulses, wobei der Lichtpuls in einer Umgebung einen aktuellen Detektionsbereich beleuchtet, vorgesehen. Das LiDAR-System umfasst ferner eine Reflektoreinrichtung mit wenigstens einem dem LiDAR-System zugeordneten Retroreflektor, der ausgebildet ist, durch Reflexion des von einem Objekt im aktuellen Detektionsbereich zurückreflektierten primären Lichtpulses einen den aktuellen Detektionsbereich erneut beleuchtenden sekundären Lichtpuls zu erzeugen. Ferner umfasst das LiDAR-System auch eine Empfangseinrichtung umfassend eine Detektoranordnung aus mehreren nebeneinander angeordneten Lichtdetektoren, wobei jeder Lichtdetektor ausgebildet ist, die Lichtstrahlung der zurückreflektierten primären und sekundären Lichtpulse aus jeweils einer anderen, diesem Lichtdetektor individuell zugeordneten Richtung des aktuellen Detektionsbereichs zu detektiert. Die Steuereinrichtung ist dabei ausgebildet, Objekte in der Umgebung durch eine zeitliche und räumliche Auswertung der von der Empfangseinrichtung empfangenen Lichtstrahlung zu detektieren. Ferner ist die Steuereinrichtung auch ausgebildet, eine von einem Lichtdetektor der Empfangseinrichtung empfangenen Lichtstrahlung einem echten Objekt zuzuordnen, wenn der betreffende Lichtdetektor sowohl den zurückreflektierten mehreren Lichtpulsen als auch den zurückreflektierten sekundären Lichtpuls detektiert. Ferner ist die Steuereinrichtung ausgebildet, eine von einem Lichtdetektor der Empfangseinrichtung empfangenen Lichtstrahlung einem durch unerwünschte Streueffekte erzeugten Scheinreflex zuzuordnen, wenn der betreffende Lichtdetektor zwar den zurückreflektierten primären Lichtpuls aber nicht auch den zurückreflektierten sekundären Lichtpuls detektiert. Für das LiDAR-System ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der LiDAR-Sensor ein Gehäuse umfasst, und dass der wenigstens eine Retroreflektor im Inneren des Gehäuses angeordnet ist. Diese Unterbringung des Retroreflektors ermöglicht eine besonders einfache Bauweise, die ferner einen Schutz für den wenigstens einen Retroreflektor bietet.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Retroreflektor in Form einer auf der Innenseite des Gehäuses angeordneten reflektiven Schicht ausgebildet ist. Mithilfe einer solchen reflektiven Beschichtung kann eine besonders große Reflexionsfläche des Retroreflektors erreicht werden. Hierdurch wiederum wird die Rückreflexion der darauf einfallenden Lichtstrahlung verbessert, was zu einem lichtstärkeren Sekundärpuls führt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Reflektoreinrichtung mehrere diskrete Retroreflektoren umfasst. Mithilfe einzelner Retroreflektoren lassen sich besser vorhandene Bauräume ausnutzen. Damit kann auch bei kleinem Bauraum eine relativ große Reflexionsfläche erreicht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein LiDAR-Sensor für das oben genannte LiDAR-System vorgesehen. Für LiDAR-Sensor ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Steuereinrichtung für das oben genannte LiDAR-System vorgesehen, die eingerichtet ist, wenigstens einen Teil der Schritte des oben genannten Verfahrens auszuführen. Auch hierfür ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 schematisch den Aufbau eines herkömmlichen LiDAR-Systems sowie seine Funktionsweise beim Abtasten eines regulären Objekts;
- 2 schematisch das LiDAR-System aus 1 beim Abtasten eines hochreflektiven Objekts, bei dem unerwünschte Streueffekte zu fehlerhaften Messergebnissen führen;
- 3 schematisch ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Messsignals an einem Detektor-Pixel des LiDAR-Systems aus 1 mit Blickrichtung auf ein echtes Objekt;
- 4 schematisch ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Messsignals an einem Detektor-Pixel des LiDAR-Systems aus 1 mit Blickrichtung außerhalb des Objekts;
- 5 schematisch ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Messsignals an einem Detektor-Pixel des LiDAR-Systems aus 2 mit Blickrichtung auf das Objekt;
- 6 schematisch ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Messsignals an einem Detektor-Pixel des LiDAR-Systems aus Figur zwei mit Blickrichtung außerhalb des Objekts;
- 7 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems mit einer integrierten Reflektoreinrichtung aus wenigstens einem Retroreflektor;
- 8 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems mit einer alternativen Reflektoreinrichtung, bei der der Retroreflektor in Form einer die Innenseite des Gehäuses auskleidenden Folie ausgebildet ist;
- 9 schematisch einen ersten Verfahrensschritt, bei dem mithilfe der Sendeeinrichtung des LiDAR-Systems aus 7 ein primärer Lichtpuls zum Abtasten eines hochreflektiven Objekts erzeugt wird;
- 10 schematisch einen zweiten Verfahrensschritt, bei dem der primäre Lichtpuls vom hochreflektiven Objekt zum LiDAR-System zurück reflektiert wird;
- 11 schematisch einen dritten Verfahrensschritt, bei dem durch Reflexion des zurückreflektierten primären Lichtpulses ein sekundärer Lichtpuls erzeugt wird;
- 12 schematisch einen vierten Verfahrensschritt, bei dem durch Reflexion des sekundären Lichtpulses an dem Objekt ein zurückreflektierter sekundärer Lichtpuls erzeugt wird;
- 13 schematisch ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Messsignals an einem Detektor-Pixel mit Blickrichtung auf das hochreflektive Objekt; und
- 14 schematisch ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Messsignals an einem Detektor-Pixel mit Blickrichtung außerhalb des hochreflektiven Objekts.
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Das hier beschriebene Konzept sieht die Verwendung wenigstens eines Retroreflektors Verbindung mit einem LiDAR-System vor, mit dessen Hilfe ein sekundärer Lichtpuls durch Reflexion eines von hochreflektiven Objekten zurückreflektierten primären Lichtpulses erzeugt wird. Der sekundäre Lichtpuls erlaubt dabei eine verbesserte Unterscheidung, ob es sich bei einer detektierten Lichtstrahlung um ein durch Reflexion an einem echten Objekt erzeugtes Signal oder um ein durch Streueffekte erzeugtes und daher nur scheinbar von einem Objekt stammendes Signal handelt.
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Hierzu veranschaulicht die 1 zunächst die Funktionsweise eines herkömmlichen LiDAR-Systems 100, das einen LiDAR-Sensor 110 und eine Steuereinrichtung 160 umfasst. Der LiDAR-Sensor 110 umfasst dabei eine Sendeeinrichtung 120 ausgebildet zum Aussenden einer zeitlich strukturierten Lichtstrahlung 200 in Form eines Lichtpulses 210, und eine Empfangseinrichtung 130 ausgebildet zum empfangen der an Objekten 400 in der Umgebung 300 zurückreflektierten Lichtstrahlung 200. Hierzu besitzt die typischerweise gemeinsam mit der Empfangseinrichtung 130 in einem Gehäuse 111 mit einem transparenten Fenster 112 untergebrachte Sendeeinrichtung 120 eine Lichtquelle 121, die beispielsweise in Form eines Lasers ausgebildet sein kann. Bei dem hier beispielhaft gezeigten scannenden LiDAR-System erzeugt die Sendeeinrichtung 120 einen Lichtstrahl 201 in Form einer vertikalen Linie, die einen entsprechend linienförmigen aktuellen Detektionsbereich 310 beleuchtet. Im Betrieb des LiDAR-Systems 100 wird die vertikale Linie 310 mithilfe einer Scanbewegung in einer horizontalen Scanrichtung 320 bewegt, um eine definierten Beobachtungsbereich 310 der Umgebung 300 sukzessive abzutasten. Wie in der 1 beispielhaft anhand von drei Teilstrahlen 2101, 2102, 2103 gezeigt ist, wird der ausgesendete Lichtpuls 210 an einem reflektiven Objekt 400 in der Umgebung 300 reflektiert und gelangt so als zurückreflektierter primärer Lichtpuls 220 nach einer bestimmten Flugzeit (Time-of-Flight) wieder zum LiDAR-Sensor 110. Wie anhand der drei Teilstrahlen 2201, 2202, 2203 gezeigt ist, wird ein Teil des zurückreflektierten Lichtpulses 220 mittels einer Abbildungsoptik 131 der Empfangseinrichtung 130 auf eine Detektoranordnung 140 aus mehreren im vorliegenden Beispiel in vertikaler Richtung untereinander angeordneten Detektoren 1411 -14113 projiziert. Aufgrund einer solchen Anordnung empfängt jeder Detektor 1411 - 14113 somit lediglich Lichtstrahlung 200 aus einer bestimmten, diesem Detektor 1411 - 14113 individuell zugeordneten Richtung. Wie in der 1 mittels einer Schraffur angedeutet ist, lösen folglich lediglich die Detektoren 1416, 1417, 1418 mit einer Blickrichtung auf das jeweilige Objekt 400 aus, während die anderen Detektoren 1411 - 1415, 1419 - 14113 der Detektoranordnung 140 kein Sensorsignal ausgeben.
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Wie aus der 1 ferner ersichtlich ist, sind die Sendeeinrichtung 120 und die Detektoreinrichtung 140 über entsprechende Signal- und Steuerleitungen mit der Steuereinrichtung 160 verbunden, die den Betrieb des LiDAR-Sensors 110 und eine Auswertung der Sensorsignale steuert und eine Auswertung der Auswerteeinrichtung 161 zum Auswerten der Sensorsignale der Detektoreinrichtungen 140. Die Auswertung der Sensorsignale der einzelnen Detektoren 1411 - 14113 erlaubt der Steuereinrichtung 160 die Objekte 400 in der Umgebung 300 des LiDAR-Sensors 110 zu detektieren, ihre Entfernung zu bestimmen und sie anhand ihrer Form zu identifizieren. Typischerweise ist wenigstens ein Teil der auf der Steuereinrichtung 160 durchgeführten Verfahren in Form eines Computerprogramms realisiert, welches auf einer geeigneten Speichereinrichtung 162 der Steuereinrichtung 160 abgelegt werden kann. Alternativ zu der hier gezeigten Ausführungsform können die Steuereinrichtung 160 oder auch einzelne ihrer Komponenten grundsätzlich auch innerhalb des LiDAR-Sensors 110 angeordnet sein.
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Die 2 verdeutlicht die Funktionsweise des LiDAR-Systems 100 aus 1 bei einem verschmutzten Fenster 112. Zur Vereinfachung wurden dabei auf die Darstellung einiger der in 1 gezeigten Komponenten des LiDAR-Systems 100 verzichtet. Wie hierbei anhand der Teilstrahlen 2202, 2204 ersichtlich ist, wird ein Teil des von dem hochreflektiven Objekt 400 in Richtung des LiDAR-Sensors 110 zurückreflektierten primären Lichtpulses 210 von Schmutzpartikeln 103 auf der Außenseite des Fensters 112 in Richtung der Eingangsoptik 131 gestreut. Die gestreuten Lichtstrahlen 2212, 2214 werden dadurch unter relativ großen Feldwinkeln auf Detektoren 1411, 14111 mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 abgebildet, die folglich auch keine von dem Objekt 400 zurückreflektierte Lichtstrahlung 200 empfangen sollten. Die Streueffekte führen folglich zur Detektion von Scheinreflexen bzw. scheinbarer Objekte, die scheinbar außerhalb der Blickrichtung des echten Objekts 400 angeordnet sind. Solche Artefakte führen häufig zur Messung einer größeren vertikalen Ausdehnung des abgetasteten Objekts 400.
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Die 3 und 4 veranschaulichen die Detektion des zurückreflektierten Lichtpulses 210 bei verschiedenen Detektoren 1411 - 14113 des in 1 gezeigten LiDAR-Sensors 110. Dabei zeigt die 3 den zeitlichen Verlauf des von einem Detektor 1416, 1417, 1418 mit Blickrichtung auf das abgetastete Objekt 400 empfangenen Signals S, während die 4 den zeitlichen Verlauf des Signals S bei einem Detektor 1411 - 1415, 1419-14113 mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 illustriert. Hierbei wird ersichtlich, dass der von dem Objekt 400 zurückreflektierte Lichtpuls 210 lediglich von den Detektoren 1416, 1417, 1418 mit Blickrichtung auf das abgetastete Objekt 400 mit genügend Lichtstärke empfangen wird, um die betreffenden Detektoren 1416, 1417, 1418 auch auszulösen. Bei den Detektoren 1411 - 1415, 1419 - 14113 mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 erreicht die Lichtstärke des zurückreflektierten Lichtpulses 210 hingegen nicht die Detektionsschwelle SD.
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In den 5 und 6 veranschaulichen hingegen die Detektion des zurückreflektierten Lichtpulses 210 bei verschiedenen Detektoren 1411 bis 14113 des verschmutzten LiDAR-Sensors 110 aus 2. Dabei zeigt die 5 den zeitlichen Verlauf des von einem Detektor 1416, 1417, 1418 mit Blickrichtung auf das abgetastete Objekt 400 empfangenen Signals S, während die 6 den zeitlichen Verlauf des Signals S bei einem der beiden Detektoren 1411, 14111 mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 illustriert. Durch einen Vergleich mit den Signalen aus den 3 und 4 wird ersichtlich, dass der von dem Objekt 400 zurückreflektierte Lichtpuls 210 aufgrund der Streueffekte nunmehr auch bei den betreffenden Detektoren 1411, 14111 mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 mit einer Lichtstärke oberhalb der Detektionsschwelle SD empfangen wird. Damit führen die oben beschriebenen Streueffekte bei den betreffenden Detektoren 1411, 14111 im vorliegenden Fall zur Detektion von Scheinreflexen bzw. scheinbaren Objekten.
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In der 7 ist schematisch der Aufbau eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 100 dargestellt, das mit einer zusätzlichen Reflektoreinrichtung 150 ausgestattet ist. Die Reflektoreinrichtung 150 umfasst im vorliegenden Beispiel zwei Retroreflektoren 151, 152, die innerhalb des Gehäuses 111 des LiDAR-Sensors 110 angeordnet sind. Die Retroreflektoren 151, 152, deren reflektierende Seite der Innenseite des Fensters 112 zugewandt ist, sind dabei vorzugsweise derart neben der Sensoreinrichtung 120 und der Eingangsoptik 131 der Empfangseinrichtung 130 angeordnet, dass das Sichtfeld des LiDAR-Sensors 110 durch sie nicht beeinträchtigt wird. Bei den Retroreflektoren 151, 152 kann es sich grundsätzlich auch um eine zusammenhängende Reflektorstruktur handeln. Ebenso ist es möglich eine Vielzahl diskreter Reflektoren ist innerhalb des Gehäuses 111 des LiDAR-Sensors 110 unterzubringen.
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In der 8 ist eine alternative Ausführung der Reflektoreinrichtung 150 gezeigt, bei der der Retroreflektor 153 in Form einer auf der Innenseite des Gehäuses 211 reflektiven Beschichtung ausgebildet ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine aufgeklebte Folie handeln. Die interne Beschichtung kann auf der gesamten Innenseite des Gehäuses 111 ausgenommen des Fensters 112 angeordnet sein. Ferner kann sich die Beschichtung auch lediglich auf bestimmte Bereiche im Inneren des Gehäuses 111 beschränken.
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Damit eine möglichst große Empfangsfläche entsteht, können die internen Retroreflektoren grundsätzlich den gesamten Innenraum des LiDAR-Sensors bedecken, sofern die Sende- und Empfangsoptik des LiDAR-Sensors nicht verdeckt wird.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise eines LiDAR-Systems 100 mit einem gemäß 7 ausgebildeten LiDAR-Sensor 110 erläutert. Hierzu zeigt die 9 zunächst das Aussenden des primären Lichtpulses 210 durch die Sendeeinrichtung 120 des LiDAR-Sensors 110. Der primäre Lichtpuls 210 trifft dabei auf das im aktuellen Detektionsbereich 310 befindliche Objekt 401 und wird von diesem zurück reflektiert. Wie in der 10 gezeigt ist, trifft der zurückreflektierte primäre Lichtpuls 220 wenigstens teilweise auf den LiDAR-Sensor 110. Anhand der drei Teilstrahlen 2201, 2202, 2203 wird dabei deutlich, dass ein Teil des zurückreflektierten Lichtpulses 220 mittels der Abbildungsoptik 131 der Empfangseinrichtung 130 auf Detektoren 1416 -1418 mit Blickrichtungen auf das Objekt 400 projiziert wird. Analog zu der in 2 dargestellten Situation werden auch im vorliegenden Fall zwei Detektoren 1411, 14111 mit Blickrichtungen außerhalb des Objekts 400 durch gestreute Lichtstrahlung 1213, 1215 fälschlicherweise ausgelöst. Wie anhand der Teilstrahlen 2201, 2203, 2205, 2207 veranschaulicht ist, gelangt ein Teil des zurückreflektierten primären Lichtpulses 210 jedoch auch auf die Retroreflektoren 151, 152, die die Lichtstrahlung jeweils unter dem tatsächlichen Einfallswinkel zurückreflektieren und dabei einen das Objekt 400 erneut beleuchtenden sekundären Lichtpuls 230 erzeugen. Auch die durch Streueffekte an Schmutzpartikeln 103 auf dem Fenster 112 in Richtung der die Retroreflektoren 151, 152 gestreute Lichtstrahlung, wie hier anhand der Teilstrahlen 2211, 2216 veranschaulicht ist, durch die Retroreflektoren 151, 152 in dem scheinbaren Empfangswinkel zurückreflektiert. Wie in der 11 anhand der Teilstrahlen 2301, 2302, 2303, 2304 veranschaulicht ist, trifft ein Teil des sekundären Lichtpulses 230 auf das Objekt 400 und wird von diesen erneut reflektiert, wobei ein zurückreflektierter sekundären Lichtpuls 140 erzeugt wird. Wie in der 12 anhand der Teilstrahlen 2401 - 2407 veranschaulicht ist, trifft ein Teil des zurückreflektierten sekundären Lichtpulses 240 erneut auf den LiDAR-Sensor 110 auf. Dabei wird die von dem Objekt 400 direkt auf die Abbildungsoptik 131 zurückreflektierte Lichtstrahlung 2402, 2404, 2406 erneut auf die Detektoren 1416, 1417, 1418 mit Blickrichtung auf das Objekt 400 projiziert. Wie anhand der Teilstrahlen 2401, 2403, 2405, 2407 veranschaulicht ist, trifft ein weiterer Teil des zurückreflektierten sekundären Lichtpulses 240 in einer Weise auf den LiDAR-Sensor 110 auf, denen nicht zu einer direkten Abbildung auf der Detektoranordnung 140 führt. Lediglich die auf die Schmutzpartikel 103 treffenden Teilstrahlen 2403, 2405 werden erneut in Richtung der Eingangsoptik 131 gestreut, die die gestreute Lichtstrahlung 2413, 2415 auf die entsprechenden Detektoren 1411, 14111 projiziert. Aufgrund der mehrfachen Reflexionen weist die gestreute Lichtstrahlung 2413, 2415 allerdings eine deutlich reduzierte Lichtstärke auf, die nicht zum Auslösen der entsprechenden Detektoren 1411, 14111 führt.
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Die 13 und 14 veranschaulichen die Detektion der zurückreflektierten primären und sekundären Lichtpulse 220, 240 bei den in den 9 bis 12 veranschaulichten Situationen. Dabei zeigt die 13 den zeitlichen Verlauf des von einem Detektor 1416, 1417, 1418 mit Blickrichtung auf das abgetastete Objekt 400 empfangenen Signals S, während die 14 den zeitlichen Verlauf des Signals S bei einem der beiden Detektoren 1411, 14111 mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 illustriert. Dabei wird ersichtlich, dass analog zu dem in den 5 und 6 illustrierten Fall der von dem Objekt 400 zurückreflektierte primäre Lichtpuls 210 nach Ablauf einer Zeitdauer T, die der Flugzeit des primären Lichtpulses 210 entspricht, sowohl von den Detektoren mit 1416, 1417, 1418 mit Blickrichtung auf das Objekt 400 als auch bedingt durch Streueffekte am Fenster 112 von den Detektoren 1411, 14111 mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 mit einer Lichtstärke oberhalb der Detektionsschwelle SD empfangen wird. Während die Detektoren 1416, 1417, 1418 mit Blickrichtung auf das abgetastete Objekt 400 folglich ein echtes Objekt 400 detektieren, kommt es bei den Detektoren 1411, 14111 mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 lediglich zu einer Detektion von Scheinreflexen bzw. scheinbaren Objekten.
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Im Unterschied hierzu wird der zurückreflektierten sekundären Lichtpuls 240 nach Ablauf einer Zeitdauer 2T, die dem zweifachen der Flugzeit des zurückreflektierten primären Lichtpulses 220 entspricht, lediglich von den Detektoren 1416, 1417, 1418 mit Blickrichtung auf das abgetastete Objekt 400 detektiert, während die Detektoren 1411, 14111 mit Blickrichtung außerhalb des Objekts 400 zu diesem Zeitpunkt Lichtstrahlung des reflektierten sekundären Lichtpulses 240 gar nicht bzw. lediglich mit einer Lichtstärke unterhalb der Detektionsschwelle SD empfangen.
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Wie bereits oben beschrieben, wird mithilfe der im LiDAR-Sensor eingebauten Retroreflektoren eine sekundäre Reflexion des von einem Objekt zurückreflektierten primären Lichtstrahls bewirkt. Dieses Licht wird von dem Objekt erneut reflektiert und vom Sensor empfangen. Das Licht, das in Richtung des scheinbaren Retroreflektors gesendet wird, trifft nicht auf das entsprechende Objekt und erzeugt keinen sekundären Lichtpuls.
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Der Sensor wird im Innenraum mit Retroreflektoren ausgestattet, die gerade die Eigenschaft haben, dass einfallendes Licht in die Ursprungsrichtung zurückreflektiert wird. Somit wird das ordentlich empfangene Licht in Form eines sekundären Lichtpulses wieder in Richtung des Objekts zurückreflektierten, während das Streulicht in Richtung des scheinbaren Ursprungs zurückreflektiert wird. Der sekundäre Lichtpuls kann erneut an Objekten gestreut werden, wobei ein echtes Objekt diesen sekundären Lichtpuls erneut auf den Sender zurückwirft, während das in die Richtung des scheinbaren Objekts gestreute Licht nicht erneut reflektiert wird. Dieser Umstand führt zu einem Signal am Detektor auf den jeweiligen Pixeln. Die sekundäre Reflexion des Objektes liegt dabei exakt bei dem doppelten der ursprünglichen Flugzeit. Wird nun bei der Auswertung berücksichtigt, dass bei einer Detektion eines Signals bei einer Flugzeit T auch ein entsprechendes Signal bei der doppelten Flugzeit 2T vorliegt, so kann das entsprechende Signal sicher einem echten Objekt zugeordnet werden. Sofern lediglich bei der einfachen Flugzeit T ein Signal detektiert wird, während bei der doppelten Flugzeit 2T kein Signal vorliegt, so kann angenommen werden, dass es sich bei dem detektierten Signal um einen Scheinreflex handelt.
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Grundsätzlich muss berücksichtigt werden, dass Objekte mit einer geringen Reflektivität wahrscheinlich keinen zweiten Reflex erzeugen, da die Signalstärke bei mehrfacher Reflexion nicht mehr ausreichen wird, um einen Detektor ein zweites Mal auszulösen. Es ist somit vorteilhaft, das Verfahren abhängig von der Signalstärke des Primärpulses anzuwenden. Wenn das erste Signal sehr groß ist, liegt der Verdacht nahe, dass es sich um ein hochreflektives Objekt handelt. In diesem Fall wird das oben beschriebene Verfahren angewendet. Ebenso ist das Vorliegen von Signalen auf allen Detektoren ein Anzeichen für einen extrem großen primären Puls und damit für eine hohe Reflektivität des abgetasteten Objekts.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus auch andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
