DE102020214041A1

DE102020214041A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung von Emitterelementen eines LIDAR-Messsystems sowie LIDAR-Messsystem

Info

Publication number: DE102020214041A1
Application number: DE102020214041.3A
Authority: DE
Inventors: Jörg Kliewer; Michael Schmalz
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-11-09
Filing date: 2020-11-09
Publication date: 2022-05-12
Also published as: WO2022096621A1

Abstract

Verfahren zur Ansteuerung von Emitterelementen (5) eines LIDAR-Messsystems (7), das in einer Focal-Plane-Array Anordnung ausgebildet ist, wobei die Emitterelemente (5) einer Emitteruntermenge (6) nacheinander aktiviert werden, wobei das jeweils folgende Emitterelement (5) der Emitteruntermenge (6) erst nach dem Ende einer Wartezeit (tn, tn+Δtx) aktiviert wird, und eine entsprechende Vorrichtung zur Ansteuerung von Emitterelementen (5) eines LIDAR-Messsystems (7), sowie ein entsprechendes LIDAR-Messsystem (7).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung von Emitterelementen eines LIDAR-Messsystems, das in einer Focal-Plane-Array Anordnung ausgebildet ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein LIDAR-Messsystem mit einer Sendeeinheit und einer Steuereinheit.
Für optische Distanzmessungen, insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen, wird meist ein scannender Sensor, beispielsweise ein LIDAR (Light detection and ranging) Sensor, eingesetzt, der periodisch Pulse aussendet. Die Pulse, insbesondere Lichtpulse, werden von Objekten reflektiert und der reflektierte Puls detektiert. Aus der Bestimmung der Laufzeit der Pulse von dem Sensor zum Objekt und zurück kann mittels der Lichtgeschwindigkeit auf die Distanz bzw. die Entfernung zu dem Objekt geschlossen werden.
Beispielsweise ist aus dem Dokument DE 10 2017 222 971 A1 eine LIDAR Empfangseinheit für ein LIDAR-Messsystem bekannt, bei dem mehrere Sensorelemente in Makrozellen angeordnet sind und jedes Sensorelement einzeln aktiviert und deaktiviert werden kann oder in Gruppen von Sensorelementen aktiviert und deaktiviert werden können.
Die bekannten LIDAR-Sensorkonzepte ermöglichen zwar Distanzmessungen, jedoch besteht keine Möglichkeit Geschwindigkeitszustände eines zu detektierenden Objekts, insbesondere innerhalb eines Frames, zu erfassen, um damit eine Geschwindigkeitsanalyse pro Bildgebungs-Frame zu ermöglichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren funktionell zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung und eine eingangs genanntes LIDAR-Messsystem strukturell und/oder funktionell zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie mit einem LIDAR-Messsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte Ausführungen und/oder Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem Verfahren zur Ansteuerung von Emitterelementen eines LIDAR-Messsystems, das beispielsweise in einer Focal-Plane-Array Anordnung ausgebildet sein kann, können die Emitterelemente einer Emitteruntermenge nacheinander aktiviert werden. Dabei kann das jeweils folgende Emitterelement der Emitteruntermenge erst nach dem Ende einer Wartezeit aktiviert werden. Das jeweils folgende Emitterelement kann das jeweils einem innerhalb der Emitteruntermenge vorangegangenen Emitterelement, insbesondere direkt, nachfolgende Emitterelement sein. Die Emitterelemente der Emitteruntermenge können nacheinander deaktiviert werden. Die Emitterelemente der Emitteruntermenge können nacheinander aktiviert und deaktiviert werden.
Die Emitteruntermenge kann Teil einer Sendematrix sein. Es können mehrere, wie zwei, drei, vier, usw., Emitteruntermengen vorgesehen sein. Jede Emitteruntermenge kann mehrere, wie zwei, drei, vier, usw., Emitterelemente aufweisen. Die Emitteruntermenge bzw. Emitteruntermengen kann/können die Sendematrix bilden. Die Emitteruntermenge kann eine Emitterzeile oder Emitterspalte sein. Die Emitterzeile/n und/oder Emitterspalte/n kann/können die Sendematrix bilden. Die Emitteruntermenge und/oder Sendematrix kann/können Teil einer Sendeeinheit des LIDAR-Messsystems sein.
Die Emitterelemente können im Wesentlichen auf einer Ebene, beispielsweise einem Chip, wie Sensorchip oder Sendechip, angeordnet sein. Die Emitterelemente können gleichmäßig, beispielsweise in einem gleichmäßigen Gitterraster, angeordnet sein. Die Anordnung der Emitterelemente kann sich in Zeilen und/oder Spalten, wie Emitterzeilen und/oder Emitterspalten, insbesondere der Sendematrix, aufteilen. Die Zeilen und/oder Spalten können einen konstanten Zeilenabstand bzw. Spaltenabstand aufweisen. Beispielsweise können der Zeilenabstand und der Spaltenabstand gleich groß sein. Die Emitterelemente einer Zeile und/oder Spalte können einen konstanten Abstand zueinander aufweisen. Beispielsweise weist eine Spalte ein Emitterelement in jeder Zeile der Sendematrix und/oder eine Zeile ein Emitterelement in jeder Spalte der Sendematrix auf.
Das LIDAR-Messsystems und/oder die Sendeeinheit und/oder Sendematrix kann/können in einer Focal-Plane-Array Konfiguration ausgebildet sein. Unter einer Focal-Plane-Array Konfiguration kann eine zweidimensionale Anordnung von Emitterelementen in einer Ebene, insbesondere der Brennebene mindestens einer Sendeoptik, verstanden werden. Die Brennebene der mindestens einen Sendeoptik kann entsprechend der Ausdehnung der Sendematrix das Sichtfeld des Sensors bzw. der Sendeoptik bestimmen. Die Sendeoptik kann eine Linsenanordnung, wie ein Objektiv, sein. Die einzelnen Emitterelemente können im Brennpunkt der Sendeoptik angeordnet sein. Durch Platzierung der Sendematrix oder Teilen davon in der Brennebene der Sendeoptik kann die Position der einzelnen Emitterelemente durch die Sendeoptik in einen Winkel umgesetzt werden. Die auf die Sendeoptik treffenden, beispielsweise in parallele Richtung verlaufenden, Pulse, wie Messpulse, bzw. Lichtstrahlen können durch die Sendeoptik in unterschiedliche Winkel abgelenkt werden. Dadurch kann ein großes Sichtfeld ausgeleuchtet werden, ohne dass dazu bewegliche Teile zum Ablenken der Pulse bzw. Lichtstrahlen notwendig sind. Eine Focal-Plane-Array Konfiguration kann daher eine statische Ausbildung des LIDAR-Messsystems und/oder deren Sendeeinheit und/oder deren Empfangseinheit ermöglichen, so dass dieses keine beweglichen Teile umfasst. Das LIDAR-Messsystems kann statisch an einem Fahrzeug angeordnet sein.
Die Emitterelemente können Sendeelemente sein. Die Emitterelemente können jeweils eine aktive Fläche zum Versenden von Pulsen, wie Messpulsen, und/oder Strahlen, wie Lichtstrahlen, aufweisen. Unter einer aktiven Fläche kann die Fläche eines Emitterelements verstanden werden, an der ein Puls oder Lichtstrahl das Emitterelement verlässt. Die Emitterelemente können dazu ausgebildet sein, Licht, insbesondere Laserlicht oder ein Laserpuls, zu emittieren. Ein Messpuls kann ein optisches, beispielsweise elektromagnetisches, Signal sein. Ein Messpuls kann ein Lichtpuls, wie Laserpuls, sein. Ein Messpuls kann eine Pulsdauer aufweisen. Basierend auf der Geschwindigkeit und der Laufzeit des Messpulses und mithilfe der Lichtgeschwindigkeit kann auf die Strecke geschlossen werden, die der Puls in der Laufzeit hinter sich gebracht hat. Die Emitterelemente können jeweils als Laser, wie gepulste Laser, ausgebildet sein. Die Emitterelemente können jeweils als Laserdiode, wie elektrisch gepulste Laserdiode, oder durch einen passiven Mikrolaser, wie passiven Q-switched Microlaser, ausgebildet sein. Die Emitterelemente können jeweils als ein Oberflächenemitter, wie ein Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL), ausgebildet sein. Jedem Emitterelement kann ein Pixel, wie Sendepixel, zugeordnet sein.
Bei dem Verfahren können die Emitterelemente der Emitteruntermenge derart aktiviert und/der deaktiviert werden, dass die Emitterelemente jeweils nacheinander aktiviert und/oder deaktiviert werden, beispielsweise so, dass zu einem Zeitpunkt immer nur ein Emitterelement der Emitteruntermenge aktiviert ist. Bei Aktivität eines Emitterelements sendet dieses einen Puls, wie Messpuls, oder Lichtstrahl, wie Laserstrahl, aus. Die Reihenfolge der Aktivierung und/oder Deaktivierung der Emitterelemente der Emitteruntermenge kann durch die Anordnung der Emitterelemente in einer Zeile oder Spalte vorgegeben sein.
Durch die Aktivierung von nur einem Emitterelement der Emitteruntermenge kann gezielt ein Teilbereich des Sichtfeldes ausgeleuchtet werden. Dadurch, dass immer nur ein Emitterelement der Emitteruntermenge aktiv ist und die Aktivierung der Emitterelemente der Emitteruntermenge nacheinander mit einem definierten Zeitabstand erfolgt, kann ein Scannen, beispielsweise von räumlich zusammenhängenden Teilbereichen, des Sichtfeldes ohne die dazu notwendige Verwendung beweglicher Teile ermöglicht werden. Unter dem Begriff Scannen kann ein Abtasten des Sichtfelds verstanden werden.
Bei dem Verfahren kann durch die Wartezeit bis das jeweils folgende Emitterelement der Emitteruntermenge aktiviert wird zwischen den einzelnen Emitterelementen eine Verzögerung im Einschaltvorgang bzw. Aktivierungsvorgang erreicht werden. Dadurch kann inhärent eine Zeitauflösung zustande kommen. Bei dem Verfahren kann, beispielsweise elektronisch, zwischen einzelnen, wie zwei aufeinanderfolgender, Emitterelementen einer Emitteruntermenge, wie Emitterpixel einer Zeile oder Spalte, eine kontrollierte Verzögerung des Einschaltvorgangs bzw. Aktivierungsvorgangs erfolgen. Die Verzögerung kann durch die Wartezeit ausgebildet bzw. definiert sein. Die Wartezeit kann als Verzögerungselement bezeichnet werden und/oder durch ein, beispielsweise elektronisches, Verzögerungselement gebildet und/oder definiert sein.
Die Wartezeiten, insbesondere innerhalb der Emitteruntermenge, aufeinanderfolgender Emitterelemente können sich unterscheiden. Die Wartezeiten, insbesondere innerhalb der Emitteruntermenge, aufeinanderfolgender Emitterelemente können gleich sein. Die Wartezeit für jedes, insbesondere innerhalb der Emitteruntermenge, folgende Emitterelement kann zunehmen oder abnehmen. Die Wartezeit für jedes, insbesondere innerhalb der Emitteruntermenge, folgende Emitterelement kann mit einem definierten Zeitintervall bzw. Zeitabschnitt zunehmen oder abnehmen. Der definierte Zeitabschnitt kann eine Zeitdifferenz sein. Die Zeitdifferenz kann positiv oder negativ sein. Die Wartezeit kann, insbesondere für jedes folgende Emitterelement der Emitteruntermenge, linear oder exponentiell ansteigen oder abnehmen. Die Wartezeit bzw. Wartezeiten kann/können von Emitterelement zu Emitterelement um einen bestimmten Wert, wie Zeitinterwall bzw. Zeitabschnitt, verlängert werden. Die Wartezeit bzw. Wartezeiten und/oder die Zeitintervalle bzw. Zeitabschnitte können vorab festgelegt und/oder ermittelt werden. Jedem Emitterelement der Emitteruntermenge kann eine eigene Wartezeit zugeordnet sein.
Bei dem Verfahren kann ein nachfolgendes Emitterelement der Emitteruntermenge erst nach der Deaktivierung des, insbesondere unmittelbar, vorangegangenen Emitterelements der Emitteruntermenge und nach dem Ende der Wartezeit aktiviert werden. Die Wartezeit kann zum Zeitpunkt der Deaktivierung des vorangegangenen Emitterelements beginnen.
Bei dem Verfahren kann ein Emitterelement, insbesondere das erste Emitterelement, einer folgenden Emitteruntermenge erst aktiviert werden, wenn das letzte Emitterelement der dieser Emitteruntermenge vorangegangenen Emitteruntermenge deaktiviert wurde.
In einer Variante können alle Emitterelemente einer Emitteruntermenge, wie Emitterspalte oder Emitterzeile, gleichzeitig aktiviert und/oder deaktiviert werden.
Wenn die Emitteruntermenge bzw. Emitteruntermengen eine Emitterzeile bzw. Emitterzeilen ist/sind, dann können die Emitterelemente nacheinander spaltenweise aktiviert und/oder deaktiviert werden. In diesem Fall können die Emitterelemente der Unterbraugruppen, die einer, insbesondere gemeinsamen, Emitterspalte zugeordnet sind, gleichzeitig aktiviert und/oder deaktiviert werden.
Wenn die Emitteruntermenge bzw. Emitteruntermengen eine Emitterspalte bzw. Emitterspalten ist/sind, dann können die Emitterelemente nacheinander zeilenweise aktiviert und/oder deaktiviert werden. In diesem Fall können die Emitterelemente der Unterbraugruppen, die einer, insbesondere gemeinsamen, Emitterzeile zugeordnet sind, gleichzeitig aktiviert und/oder deaktiviert werden.
Ein Emitterelement kann einem Empfangselement des LIDAR-Messsystems zugewiesen bzw. zugeordnet sein oder werden. Ein Empfangselement kann als Sensorelement bezeichnet werden. Ein Emitterelement kann einer Gruppe und/oder Mehrzahl von Empfangselementen zugewiesen bzw. zugeordnet sein oder werden. Eine Emitteruntermenge kann einem Empfangselement zugewiesen bzw. zugeordnet sein oder werden. Ein Emitteruntermenge kann einer Gruppe und/oder Mehrzahl von Empfangselementen zugewiesen bzw. zugeordnet sein oder werden. Die Gruppe und/oder Mehrzahl von Empfangselementen kann eine Makrozelle aus mehreren Empfangselementen bilden. Die Makrozelle bzw. alle Empfangselemente einer Makrozelle können einem Emitterelement und/oder Emitteruntermenge einer zugewiesen bzw. zugeordnet sein oder werden. Es können mehrere Makrozelle vorgesehen sein. Die Gruppe von Empfangselementen und/oder die Makrozelle kann als Empfangsuntermenge bezeichnet werden. Die Empfangsuntermenge kann eine Sensoruntermenge sein.
Die Empfangsuntermenge kann Teil einer Empfangsmatrix sein. Es können mehrere, wie zwei, drei, vier, usw., Empfangsuntermenge vorgesehen sein. Jede Empfangsuntermenge kann mehrere, wie zwei, drei, vier, usw., Empfangselemente aufweisen. Die Empfangsuntermenge bzw. Empfangsuntermengen kann/können die Empfangsmatrix bilden. Die Empfangsuntermenge kann eine Empfangszeile oder Empfangsspalte sein. Die Empfangsteile kann eine Sensorzeile sein. Die Empfangsspalte kann eine Sensorspalte sein. Die Empfangszeile/n und/oder Empfangsspalte/n kann/können die Empfangsmatrix bilden. Die Empfangsuntermenge und/oder Empfangsmatrix kann/können Teil einer Empfangseinheit des LIDAR-Messsystems sein.
Die Empfangselemente können im Wesentlichen auf einer Ebene, beispielsweise einem Chip, wie Sensorchip oder Empfangschip, angeordnet sein. Die Empfangselemente können gleichmäßig, beispielsweise in einem gleichmäßigen Gitterraster, angeordnet sein. Die Anordnung der Empfangselemente kann sich in Zeilen und/oder Spalten, wie Empfangszeilen und/oder Empfangsspalten, insbesondere der Empfangsmatrix, aufteilen. Die Zeilen und/oder Spalten können einen konstanten Zeilenabstand bzw. Spaltenabstand aufweisen. Beispielsweise können der Zeilenabstand und der Spaltenabstand gleich groß sein. Die Empfangselemente einer Zeile und/oder Spalte können einen konstanten Abstand zueinander aufweisen. Beispielsweise weist eine Spalte ein Empfangselement in jeder Zeile der Empfangsmatrix und/oder eine Zeile ein Empfangselement in jeder Spalte der Empfangsmatrix auf.
Die Empfangseinheit und/oder Empfangsmatrix kann/können in einer Focal-Plane-Array Konfiguration ausgebildet sein. Unter einer Focal-Plane-Array Konfiguration kann eine zweidimensionale Anordnung von Empfangselementen in einer Ebene, insbesondere der Brennebene mindestens einer Empfangsoptik, verstanden werden. Die Brennebene der mindestens einen Empfangsoptik kann entsprechend der Ausdehnung der Empfangsmatrix das Sichtfeld des Sensors bzw. der Empfangsoptik bestimmen. Die einzelnen Empfangselemente können im Brennpunkt der Empfangsoptik angeordnet sein. Die Empfangsoptik kann eine Linsenanordnung, wie ein Objektiv, beispielsweise ein Weitwinkelobjektiv, sein. Die Empfangselemente und Emitterelemente können auf derselben Ebene oder unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein.
Die Empfangselemente können jeweils eine aktive Fläche, beispielsweise eine photosensitive Fläche, aufweisen, die an Objekten, wie Messobjekten, reflektierte Pulse, wie Messpulse, und/oder Strahlen, wie Lichtstrahlen empfangen, insbesondere detektieren, kann. Unter einer aktiven Fläche kann die Fläche eines Empfangselemente verstanden werden, an der ein Puls oder Lichtstrahl auf das Empfangselemente trifft. Die Empfangselemente können dazu ausgebildet sein, Licht, insbesondere Laserlicht oder ein Laserpuls, zu detektieren. Die Empfangselemente können dazu ausgebildet sein, die bzw. das von den Emitterelementen ausgesendeten Pulse bzw. ausgesendete Licht zu detektieren. Die Empfangselemente können jeweils als Fotodioden oder Lawinenphotodioden ausgebildet sein. Die Empfangselemente können jeweils als Festkörper-Fotodetektor ausgebildet sein. Die Empfangselemente können jeweils als Einzelphotonen-Lawinendiode, wie eine Single Photon Avalanche Diode (SPAD), ausgebildet sein. Jedem Empfangselement kann ein Pixel, wie Empfangspixel, zugeordnet sein.
Bei dem Verfahren können reflektierte Pulse oder Lichtstrahlen, insbesondere aus unterschiedlichen Winkeln, wie Raumwinkeln, auf die Empfangselemente bzw. Empfangsmatrix abgebildet werden. Das kann mittels der Empfangsoptik erfolgen.
Das von einem Emitterelement ausgesendete Licht/Puls kann durch die Sendeoptik einem Raumwinkel zugeordnet sein oder werden. Ein Empfangselement kann über die Empfangsoptik immer denselben Raumwinkel betrachten. Ein Empfangselement und das diesem zugehörige bzw. zugewiesene Emitterelement können daher beide demselben Raumwinkel zugeordnet bzw. zugewiesen sein oder werden. Das ausgesendete Licht/Puls eines Emitterelements kann daher nach einer Reflektion, beispielsweise im Fernfeld, immer auf dasselbe, dem aussendenden Emitterelement zugeordnete, Empfangselement treffen. Es können so Emitterelement-Empfangselement-Paarungen gebildet sein oder werden.
Die Empfangselemente können derart angesteuert werden, dass ein dem aktivierten Emitterelement zugeordnetes Empfangselement aktiviert ist oder, beispielsweise im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Emitterelement, aktiviert wird. Die Empfangselemente können derart angesteuert werden, dass alle Empfangselemente einer dem aktivierten Emitterelement zugeordneten Empfangsuntermenge aktiviert sind oder, beispielsweise im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Emitterelement, aktiviert werden.
Die Empfangselemente können derart aktiviert und/oder deaktiviert werden, dass im Wesentlichen gleichzeitig mit der Aktivierung des Emitterelements und/oder Emitteruntermenge ausschließlich die diesem Emitterelement bzw. dieser Emitteruntermenge zugewiesenes bzw. zugeordnetes Empfangselement bzw. Empfangsuntermenge aktiv ist oder aktiviert wird, beispielsweise so, dass das zugeordnete bzw. zugewiesene Empfangselement bzw. Empfangsuntermenge die von dem Emitterelement bzw. Emitteruntermenge ausgesandten und reflektierten Puls bzw. Lichtstrahl empfängt. Es können so nur die Empfangselemente und/oder Empfangsuntermenge aktiviert sein oder werden, die dem jeweiligen Emitterelement bzw. Emitteruntermenge zugewiesen bzw. zugeordnet sind. Unter im Wesentlichen gleichzeitig kann verstanden werden, dass die Aktivierung der Empfangselemente bzw. Empfangsuntermenge entweder gleichzeitig mit der Aktivierung der zugeordneten Emitterelemente bzw. Emitteruntermenge erfolgt oder zumindest derart gleichzeitig, dass von den Emitterelementen bzw. Emitteruntermenge ausgesandte Pulse bzw. Lichtstrahlen von den zugeordneten Empfangselementen bzw. Empfangsuntermenge detektiert werden können. Alternativ kann die Aktivierung des Empfangselements, der Empfangselemente und/oder der Empfangsuntermenge bereits vor Aktivierung des zugehörigen Emitterelements, der Emitterelemente und/oder der Emitteruntermenge erfolgen.
Bei dem Verfahren kann ein horizontaler Scan durchgeführt werden, bei dem eine Spalte, beispielsweise Emitterspalte und/oder Empfangsspalte, nach der anderen sequentiell in auf oder absteigender Reihenfolge aktiviert bzw. deaktiviert werden kann. Bei dem Verfahren kann ein vertikaler Scan durchgeführt werden, bei dem eine Zeile, beispielsweise Emitterzeile und/oder Empfangszeile, nach der anderen sequentiell in auf oder absteigender Reihenfolge aktiviert bzw. deaktiviert werden kann.
Bei dem Verfahren können Zeitpunkte bestimmt werden, zu denen Pulse bzw. Lichtstrahlen, insbesondere mittels der Empfangselemente, empfangen bzw. detektiert wurden. Die Bestimmung dieser Zeitpunkte kann mit einer Auswerteeinrichtung erfolgen. Hierzu können die Empfangselemente mit der Auswerteeinrichtung wirksam verbunden sein.
Das Verfahren kann ein zeitkorreliertes Einzelphotonenzählverfahren, wie TCSPC-Verfahren (Time Correlated Single Photon Counting), sein oder aufweisen und/oder Teil eines solchen Verfahrens sein.
Das Verfahren kann als Computerprogramm zumindest teilweise auf einem Computer, Mikrocomputer, in einer elektronischen Steuer- und/oder Recheneinheit oder auf einem Speichermedium abgespeichert und/oder dort implementiert sein. Das Computerprogramm kann software-technisch auf eine oder mehrere Speichermedien, Steuer- und/oder Recheneinheiten oder Computer, etc. verteilt sein.
Ein Computerprogrammprodukt kann eine Vorrichtung, wie eine Steuerung, eine Steuer- und/oder Recheneinheit/gerät, ein Steuerungssystem, einen Prozessor oder einen Computer, dazu veranlassen, das vorstehend und/oder nachfolgend beschriebene Verfahren auszuführen. Hierzu kann das Computerprogrammprodukt entsprechende Datensätze und/oder das Computerprogramm aufweisen.
Eine Vorrichtung zur Ansteuerung von Emitterelementen eines LIDAR-Messsystems, das in einer Focal-Plane-Array Anordnung ausgebildet ist, kann dazu eingerichtet und/oder bestimmt sein, das vorstehend und/oder nachfolgend beschriebene Verfahren auszuführen. Die Vorrichtung kann eine Steuereinheit oder Steuergerät sein oder aufweisen. Die Vorrichtung kann eine Zeitsteuereinheit sein oder aufweisen. Die Vorrichtung kann eine Auswerteeinrichtung aufweisen. Die Vorrichtung kann einen Prozessor und einen Speicher aufweisen. Das Computerprogrammprodukt kann in dem Speicher der Vorrichtung gespeichert sein. Die Vorrichtung kann ein Fahrerassistenzsystem und/oder ein Sicherheitssystem sein oder ein Teil davon sein.
Ein LIDAR-Messsystem kann eine Sendeeinheit und/oder eine Steuereinheit, wie Zeitsteuereinheit, zur zeitgesteuerten Aktivierung und/oder Deaktivierung von Emitterelementen der Sendeeinheit aufweisen. Das LIDAR-Messsystem kann eine Empfangseinheit aufweisen. Die Sendeeinheit kann die Emitterelemente und/oder Emitteruntermenge aufweisen. Die Empfangseinheit kann die Empfangselemente und/oder Empfangsuntermenge aufweisen. Das LIDAR-Messsystem kann die vorstehend und/oder nachfolgend beschriebene Vorrichtung aufweisen. Das LIDAR-Messsystem kann dazu eingerichtet und/oder bestimmt sein, das vorstehend und/oder nachfolgend beschriebene Verfahren auszuführen. Das LIDAR-Messsystem kann ein Fahrerassistenzsystem und/oder ein Sicherheitssystem sein oder ein Teil davon sein.
Mit dem LIDAR-Messsystem können Messungen ausgeführt werden, um Objekte erkennen und/oder deren Abstand und/oder deren Geschwindigkeit bestimmen zu können. Für jede Emitterelement-Empfangselement-Paarungen kann ein Messvorgang durchgeführt werden. Ein Messvorgang kann eine Mehrzahl an Messzyklen umfassen. Bei einem Messzyklus kann durch ein Emitterelement ein Puls bzw. Lichtstrahl ausgesendet werden, der nach einer Reflektion an einem Objekt wieder durch ein oder mehrere Empfangselemente detektiert werden kann.
Mit der Erfindung können neben der Entfernung von Sensor zu Objekt auch die Geschwindigkeit des Objekts spezifisch messbar bzw. ermittelbar gemacht werden. Es können Geschwindigkeitszustände eines zu detektierenden Objekts, insbesondere innerhalb eines Frames, erfasst werden. Eine Geschwindigkeitsanalyse pro Bildgebungs-Frame kann ermöglich werden. Eine Zeitauflösung kann erfolgen. Den Algorithmen einer Objektklassifizierung können somit nicht nur Distanzwerte aufgrund der eigentlichen Laufzeit der Laserpulse pro Emitterelement, wie Emitterpixel, bis zum Empfangselement, wie Empfängerpixel, zur Verfügung stehenden, sondern zusätzlich auch ein kontrollierter Zeitversatz. Zwei Nachbarpixel, welche für Algorithmen, zum Beispiel zur Objektklassifizierung, herangezogen werden können, können dann über Bewegungsvektoring noch weiter klassifiziert werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben, dabei zeigen schematisch und beispielhaft:

1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ansteuerung von Emitterelementen eines LIDAR-Messsystems, das in einer Focal-Plane-Array Anordnung ausgebildet ist; und
2 schematisch eine Sendeeinheit mit einer Sendematrix mit Emitterelementen; und
3 ein LIDAR-Messsystem in schematischer Darstellung.

1 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens zur Ansteuerung von Emitterelementen eines LIDAR-Messsystems, das in einer Focal-Plane-Array Anordnung ausgebildet ist.
In einem Schritt 1 wird eine Empfangszeile einer Empfangsmatrix einer Empfangseinheit des LIDAR-Messsystems zum Detektieren von Messpulsen, wie Laserlicht, aktiviert. Die Empfangszeile weist mehrere hintereinander in einer Reihe angeordnete Empfangselemente auf.
In einem Schritt 2 werden Emitterelemente einer Emitterzeile einer Sendeeinheit des LIDAR-Messsystems nacheinander aktiviert, wobei das jeweils folgende Emitterelement der Emitterzeile erst nach dem Ende einer Wartezeit aktiviert wird. Die Emitterzeile ist der Empfangszeile zugeordnet bzw. zugewiesen. Die Emitterelemente sind innerhalb der Emitterzeile hintereinander in einer Reihe angeordnet. Ein nachfolgendes Emitterelement wird erst nach der Deaktivierung des vorangegangenen Emitterelements und nach dem Ende der Wartezeit aktiviert. Die Wartezeit nimmt für jedes folgende Emitterelement zu.
Das vorstehend mit Bezug auf 1 beschriebene Verfahren kann teil eines Computerprogrammprodukts sein, dass eine Vorrichtung dazu veranlasst, das Verfahren zur Ansteuerung von Emitterelementen eines LIDAR-Messsystems auszuführen.
2 zeigt schematisch eine Sendeeinheit 3 mit einer Sendematrix 4, die mehrere Emitterelemente 5 aufweist. Die Emitterelemente 5 sind in Emitterzeilen Z₁, Z₂, Z₃, ..., Z_n und Emitterspalten S₁, S₂, S₄, S₄, ..., S_n jeweils horizontal bzw. vertikal hintereinander in Reihe angeordnet. Die Emitterzeilen Z₁, Z₂, Z₃, ..., Z_n und Emitterspalten S₁, S₂, S₄, S₄, ..., S_n bilden die Sendematrix 4. Jede Emitterzeile Z₁, Z₂, Z₃, ..., Z_n bildet eine Emitteruntermenge 6. Jede Emitterzeile Z₁, Z₂, Z₃, ..., Z_n bzw. jede Emitteruntermenge 6 ist einer Empfangszeile der Empfangseinheit zugeordnet bzw. zugewiesen.
Die Emitterelemente 5 jeweils einer Emitterzeile Z₁, Z₂, Z₃, ..., Z_n werden nacheinander aktiviert (in 2 von links nach rechts), wobei das jeweils folgende Emitterelement 5 einer Emitterzeile Z₁, Z₂, Z₃, ..., Z_n erst nach dem Ende einer Wartezeit t_n bzw. t_n+Δt_x aktiviert wird. Das nachfolgende Emitterelement 5 wird erst nach der Deaktivierung des vorangegangenen Emitterelements 5 und nach dem Ende der Wartezeit t_n bzw. t_n+Δt_x aktiviert. Die Wartezeit t_n bzw. t_n+Δt_x nimmt für jedes folgende Emitterelement 5 um ein Δt_x zu. Die Zeitabschnitt t_n bzw. t_n+Δt_x stellen Verzögerungselemente dar, bis das jeweils nachfolgende Emitterelement aktiviert wird.
Beispielsweise wird das erste Emitterelement 5 (in 2 das Emitterelement ganz links unten) der ersten Emitteruntermenge 6 der ersten Emitterzeile Z₁ aktiviert. Nach Deaktivierung des ersten Emitterelements 5, beginnt die Wartezeit t₁ zu laufen. Sobald die Wartezeit t₁ abgelaufen ist, wird das in der Reihe der Emitterzeile Z₁ direkt nachfolgende Emitterelement 5 (hier das zweite Emitterelement 5 in der Reihe von links) aktiviert. Nach Deaktivierung des zweiten Emitterelements 5, beginnt die Wartezeit t₁+Δt₁ zu laufen. Die Wartezeit t₁+Δt₁ ist um den Zeitabschnitt Δt₁ länger. Sobald die Wartezeit t₁+Δt₁ abgelaufen ist, wird das in der Reihe der Emitterzeile Z₁ direkt nachfolgende, hier dritte, Emitterelement 5 aktiviert. Nach Deaktivierung des dritten Emitterelements 5, beginnt die Wartezeit t₁+Δt₂ zu laufen. Die Wartezeit t₁+Δt₂ ist um den Zeitabschnitt Δt₂ länger. Der Zeitabschnitt Δt₂ ist größer als der Zeitabschnitt Δt₁. Dies wir solange wiederholt, bis das letzte Emitterelement 5 der Emitterzeile Z₁ nach der Wartezeit t₁+Δt_x aktiviert wurde, wobei die Wartezeit im Vergleich zur vorangegangenen Wartezeit jeweils zunimmt.
Nach Deaktivierung des letzten Emitterelement 5 der Emitterzeile Z₁ beginnt der vorstehend beschriebene Aktivierungs- und Deaktivierungsvorgang von neuem, jedoch in analoger Weise mit der folgenden Emitterzeile, hier beispielsweise mit Emitterzeile Z₂. Das erste Emitterelement 5 der folgenden Emitterzeile Z₂, Z₃, ..., Z_n wird also erst aktiviert, wenn das letzte Emitterelement 5 der vorangegangenen Emitterzeile Z₁, Z₂, Z₃, ..., Z_n deaktiviert wurde. Dies geschieht solange, bis alle Emitterelemente 5 aller Emitterzeile Z₁, Z₂, Z₃, ..., Z_n jeweils zumindest einmal aktiviert wurden. Dadurch kann ein horizontaler Scan (in 2 von links nach rechts) und ein vertikaler Scan (in 2 von unten nach oben) durchgeführt werden. Die einzelnen Emitterelemente 5 werden so nacheinander jeweils zeitverzögert aktiviert, bis alle Emitterelemente 5 der Emittermatrix 4 durchlaufen bzw. zumindest einmal aktiviert worden sind. Die Wartezeiten t₁, t₂, t₃, t_n für das jeweils zweite Emitterelement 5 einer Emitterzeile Z₁, Z₂, Z₃, ..., Z_n können alle gleich oder unterschiedlich sein. Beispielsweise können die Wartezeiten t₁, t₂, t₃, t_n immer länger bzw. größer werden. D.h., die Wartezeit t₂ kann größer als die Wartezeit t₁ sein und die Wartezeit t₃ kann größer als die Wartezeit t₂ sein, usw. Die Wartezeit t₂ kann auch größer als die Wartezeit t₁+Δt_x sein und die Wartezeit t₃ kann auch größer als die Wartezeit t₂+Δt_x sein, usw.
Somit kann elektronisch zwischen den einzelnen Emitterelementen 5 einer Emitterzeile Z₁, Z₂, Z₃, ..., Z_n kontrolliert eine Verzögerung im Einschalt- bzw. Aktivierungsvorgang erreicht werden, wodurch inhärent eine Zeitauflösung zustande kommt.
Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
3 zeigt ein LIDAR-Messsystem 7 in schematischer Darstellung. Das LIDAR-Messsystem 7 ist für die Verwendung an einem Fahrzeug, wie Kraftfahrzeug, bestimmt. Das LIDAR-Messsystem 7 kann statisch an dem Kraftfahrzeug angeordnet sein.
Das LIDAR-Messsystem 7 weist die Sendeeinheit 3, eine Empfangseinheit 8, eine Sendeoptik 9, eine Empfangsoptik 10 und eine Elektronik 11 auf.
Die Sendeeinheit 3 ist als Sendechip 13 ausgebildet, auf dem in einer Ebene eine Mehrzahl von Emitterelementen 5 in einer Sendematrix 4 angeordnet ist. Die Sendeeinheit 3 sind in einer Focal-Plane-Array Konfiguration ausgebildet. Das bedeutet, dass der Sendechip 13 und die Emitterelemente 5 auf einer flachen Ebene angeordnet sind, die in dem Brennpunkt bzw. der Brennebene der Sendeoptik 9 angeordnet ist. Die Emitterelemente 5 können jeweils als Oberflächenemitter, wie ein Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL), ausgebildet sein.
Die Empfangseinheit 8 ist als Empfangschip 14 ausgebildet, auf dem in einer Ebene eine Mehrzahl von Empfangselementen 15 in einer Empfangsmatrix angeordnet ist. Die Empfangseinheit 8 sind in einer Focal-Plane-Array Konfiguration ausgebildet. Das bedeutet, dass der Empfangschip 14 und die Empfangselementen 15 auf einer flachen Ebene angeordnet sind, die in dem Brennpunkt bzw. der Brennebene der Empfangsoptik 10 angeordnet ist. Die Empfangselemente 15 können jeweils als Einzelphotonen-Lawinendiode, wie eine Single Photon Avalanche Diode (SPAD), ausgebildet sein.
Ein von einem Emitterelement 5 ausgesendetes Laserlicht (in 3 schematisch durch die auf der rechten Seite der Sendeinheit 3 dargestellte Linie veranschaulicht) durchläuft die Sendeoptik 9. Ein auf ein Empfangselement 15 eintreffendes Licht (in 3 schematisch durch die auf der rechten Seite der Empfangseinheit 8 dargestellte Linie veranschaulicht) durchläuft die Empfangsoptik 10. Die Sendeoptik 9 weist jedem Emitterelement 5 einen bestimmten Raumwinkel zu. Die Empfangsoptik 10 weist jedem Empfangselement 15 einen bestimmten Raumwinkel zu.
Ein Emitterelement 5 emittiert zu beginn eines Messzyklus Laserlicht 16 in Form eines Laserpuls 16. Der Laserpuls 16 passiert die Sendeoptik 9 und wird von einem Objekt 17 reflektiert. Der reflektierte Laserpuls 16 wird durch die Empfangsoptik 10 auf das zugehörige Empfangselement 15 geleitet. Das zugehörige Empfangselement 15 detektiert den eintreffenden Laserpuls 16, wobei ein Auslösen mit einer entsprechend Auswerteinrichtung ausgelesen werden kann und beispielsweise in ein Histogramm geschrieben werden kann. Durch die ermittelte Laufzeit des Laserpulses 16 kann die Entfernung zum Objekt bestimmt werden. Ferner kann durch eine Zeitauflösung die Geschwindigkeit des Objekts bestimmt werden.
Der Ablauf eines Messzyklus wird durch die Elektronik 11 gesteuert. Die Elektronik 11 ist insbesondere als Vorrichtung 11 zur Ansteuerung der Emitterelemente 5 und der Empfangselemente 15 ausgebildet. Die Elektronik 11 kann eine Zeitsteuereinheit aufweisen oder sein. Die Zeitsteuereinheit dient zur zeitgesteuerten Aktivierung und/oder Deaktivierung der Emitterelemente 5 der Sendeeinheit 3. Ebenso kann die Zeitsteuereinheit zur zeitgesteuerten Aktivierung und/oder Deaktivierung der Empfangselemente 15 der Empfangseinheit 8 dienen. Die Elektronik 11 steuert somit die Aktivierung und Deaktivierung der einzelnen Emitterelemente 5. Die Zeitsteuerung kann einen Timing-Controller aufweisen. Die Zeitsteuereinheit steuert die genaue Einhaltung der Wartezeiten t_n bzw. t_n+Δt_x zwischen der Aktivierung der einzelnen Emitterelemente 5. Die Elektronik 11 ist dazu eingerichtet und bestimmt, das vorstehend und/oder nachfolgend beschriebene Verfahren auszuführen. Dazu weist die Elektronik 11 einen Prozessor und einen Speicher auf. Ein Computerprogrammprodukt mit Datensätzen auf, das die Elektronik 11 dazu veranlasst, das vorstehend und/oder nachfolgend beschriebene Verfahren auszuführen ist in dem Speicher der Elektronik gespeichert.
Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und 2 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es auch Weiterbildungen und/oder Ausführungsbeispiele der Erfindung, die zusätzlich oder alternativ das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweisen.
Aus den vorliegend offenbarten Merkmalskombinationen können bedarfsweise auch isolierte Merkmale herausgegriffen und unter Auflösung eines zwischen den Merkmalen gegebenenfalls bestehenden strukturellen und/oder funktionellen Zusammenhangs in Kombination mit anderen Merkmalen zur Abgrenzung des Anspruchsgegenstands verwendet werden. Die Reihenfolge und/oder Anzahl aller Schritte des Verfahrens kann variiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Schritt zum Aktivieren der Empfangszeile
2: Schritt zum Aktivieren der Emitterelemente
3: Sendeeinheit
4: Sendematrix
5: Emitterelemente
6: Emitteruntermenge
7: LIDAR-Messsystem
8: Empfangseinheit
9: Sendeoptik
10: Empfangsoptik
11: Elektronik
13: Sendechip
14: Empfangschip
15: Empfangselemente
16: Laserlicht
17: Objekt
tn, tn+Δtx: Wartezeiten
Z1, Z2, Z3, ..., Zn: Emitterzeilen
S1, S2, S4, S4, ..., Sn: Emitterspalten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017222971 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Ansteuerung von Emitterelementen (5) eines LIDAR-Messsystems (7), das in einer Focal-Plane-Array Anordnung ausgebildet ist, wobei die Emitterelemente (5) einer Emitteruntermenge (6) nacheinander aktiviert werden, wobei das jeweils folgende Emitterelement (5) der Emitteruntermenge (6) erst nach dem Ende einer Wartezeit (t_n, t_n+Δt_x) aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wartezeiten (t_n, t_n+Δt_x), insbesondere innerhalb der Emitteruntermenge (6), aufeinanderfolgender Emitterelemente (5) unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wartezeit (t_n, t_n+Δt_x) für jedes, insbesondere innerhalb der Emitteruntermenge (6), folgende Emitterelement (5) zunimmt oder abnimmt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterelemente (5) der Emitteruntermenge (6) nacheinander aktiviert und deaktiviert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein nachfolgendes Emitterelement (5) erst nach der Deaktivierung des vorangegangenen Emitterelements (5) und nach dem Ende der Wartezeit (t_n, t_n+Δt_x) aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wartezeit (t_n, t_n+Δt_x) zum Zeitpunkt der Deaktivierung des vorangegangenen Emitterelements (5) beginnt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Emitterelement (5), insbesondere das erste Emitterelement (5), einer folgenden Emitteruntermenge (6) erst aktiviert wird, wenn das letzte Emitterelement (5) der dieser Emitteruntermenge (6) vorangegangenen Emitteruntermenge (6) deaktiviert wurde.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Emitterelemente (5) einer Emitterspalte (S₁, S₂, S₄, S₄, ..., S_n) oder einer Emitterzeile (Z₁, Z₂, Z₃, ..., Z_n) gleichzeitig aktiviert und/oder deaktiviert werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitteruntermenge (6) eine Emitterzeile (Z₁, Z₂, Z₃, ..., Z_n) oder Emitterspalte (S₁, S₂, S₄, S₄, ..., S_n) ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Empfangselemente (5) des LIDAR-Messsystems (7) derart angesteuert werden, dass ein dem aktivierten Emitterelement (5) zugeordnetes Empfangselement (15) aktiviert ist oder wird, oder alle Empfangselemente (15) einer dem aktivierten Emitterelement (5) zugeordneten Empfangsuntermenge aktiviert sind oder werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsuntermenge eine Empfangszeile oder Empfangsspalte ist.
Vorrichtung (11) zur Ansteuerung von Emitterelementen (5) eines LIDAR-Messsystems (7), das in einer Focal-Plane-Array Anordnung ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung (11) dazu eingerichtet und bestimmt ist, ein Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
LIDAR-Messsystem (7) mit einer Sendeeinheit (3) und einer Steuereinheit (11), wie Zeitsteuereinheit (11), zur zeitgesteuerten Aktivierung und/oder Deaktivierung von Emitterelementen (5) der Sendeeinheit (3).