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Die vorliegende Erfindung betrifft einen LiDAR Laser-Scanner zur Erfassung eines Zielobjekts in einem Überwachungsgebiet im Freien mit
einer Mehrzahl von Lasern als Sender und einer Mehrzahl von Photosensoren als Empfänger und mit optischen Elementen zur Strahlführung ins Überwachungsgebiet und von reflektiertem Licht zu den Empfängern,
einer Scan-Vorrichtung zur gesteuerten sukzessiven Abtastung eines das Überwachungsgebiet überstreichenden Winkelbereichs mit von den Sendern abgestrahlten Laser-Impulsen und zum Empfang von resultieren Echosignalen aus dem Überwachungsgebiet und zur periodischen Wiederholung der Abtastung,
einer Auswerteelektronik zur Bestimmung der Laufzeit von mit den Empfängern aus dem Überwachungsgebiet empfangenen Echosignalen in Echtzeit, und
einem Auswerterechner zur Auswertung der empfangenen Echosignale in Echtzeit.
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Die Abkürzung LiDAR steht für „Light Detection and Ranging“, worunter die sukzessive Abtastung eines Winkelbereichs mit Laser-Impulsen und die jeweilige Messung der Laufzeit von Echosignalen verstanden wird, wodurch durch die Abtastung ein Entfernungsprofil (ortsabhängiger Abstand von Reflexionspunkten von dem Laser-Scanner) gewonnen wird.
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Ein LiDAR Laser-Scanner mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist aus
DE 10 2016 113 149 A1 bekannt, wobei der Laser-Scanner nicht ausdrücklich für den Einsatz unter Freiluftbedingungen beschrieben ist. Der Laser-Scanner hat eine Mehrzahl von Lasern als Sender und eine Mehrzahl von Photosensoren als Empfänger; in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Reihe von vier Lasern und eine Reihe von vier Photosensoren vorhanden. Die sukzessive Abtastung erfolgt durch eine Scan-Vorrichtung, die einen Drehspiegel umfasst, der schrittweise um ein oder mehr Winkelinkremente gedreht wird, um so die von den Lasern anvisierten Punkte schrittweise zu versetzen. Eine Auswerteelektronik bestimmt für empfangene Echosignale in Echtzeit die Laufzeit zwischen Aussendung der Laser-Impulse und Empfang der jeweiligen Echosignale. Ein Auswerterechner wertet die empfangenen Echosignale und deren jeweilige Laufzeit in Echtzeit aus. Demgemäß wird aus jeder der periodisch wiederholten Abtastungen ein Entfernungsprofil gewonnen. Dadurch können Informationen über das von dem Laser-Scanner abgetastete Überwachungsgebiet gewonnen werden, insbesondere ob sich darin ein Zielobjekt vor dem Laser-Scanner befindet. Die Abtastungen werden mit hoher Frequenz wiederholt.
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Daneben sind auch Scan-Vorrichtungen bekannt, mit denen Abtastungen über einen Raumwinkelbereich durchgeführt werden können, d.h. ein zweidimensionales Entfernungsbild aufnehmbar ist. Dazu kann z.B. wieder eine Reihe von vier Lasern verwendet werden, die in einer ersten Scansequenz sukzessive in einer Richtung senkrecht zu der linearen Längsrichtung der Reihe von Lasern bewegt werden, wodurch vier parallele, auf Abstand zueinander liegende Abtastlinien ausgenommen werden. Darauf wird ein Abtastschritt unter Bewegung der Laser zu einem Schritt in Richtung der linearen Anordnung der Reihe von Lasern durchgeführt und danach die zuerst beschriebene Scansequenz wiederholt, wodurch eine weitere Reihe von vier parallelen Abtastlinien versetzt zu den ersten vier Abtastlinien aufgenommen wird. Durch Wiederholung der beschriebenen Scanschritte ist schließlich ein zusammenhängendes Raumwinkelgebiet durch eng nebeneinander liegende parallele Abtastlinien abgedeckt.
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Beispielsweise können auch vier Laser in Scanrichtung angeordnet werden und so getriggert werden, dass sie sich ebenfalls zu einem 2D-Scan ergänzen. Die Empfänger werden dabei ebenfalls als Arrays ausgebildet. Die Scan-Rate würde dabei wesentlich gesteigert werden, weil in diesem Fall vier Laser zum Scan beitrügen.
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Weitere Scan-Vorrichtungen arbeiten sind z.B. ohne optische Scanner mit Arrays von Lasern und Receivern. Die Arrays können dabei linear oder flächig angeordnet werden, was z.B. mit Vcsel-Laser-Arrays und Photodioden-Arrays möglich ist.
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Derartige LiDAR Laser-Scanner werden unter anderem zur Überwachung von Arbeitsbereichen in Industrie- und Logistikanlagen eingesetzt, in denen zum Beispiel Roboter oder autonom fahrende Geräte arbeiten, die Zielobjekte zur Kollisionsvermeidung durch den Laser-Scanner erfassen sollen und diese Hindernisse durch steuernde Eingriffe in die Abläufe in der Anlage umgehen sollen.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung soll ein unter Freiluftbedingungen „sicher“ funktionierender LiDAR Laser-Scanner realisiert werden. Die funktionelle Sicherheit von elektrischen/elektronischen/programmierbaren elektronischen Systemen wird nach der aus der internationalen Norm IEC 61508 hervorgegangenen Sicherheitsnorm EN 61508 in vier Sicherheitsanforderungsstufen von 1 bis 4 eingeteilt, die auch als Sicherheitsstufen oder Sicherheits-Integritätslevel (SIL) bezeichnet werden. Die Sicherheitsanforderungen dienen in der Industrie dem Schutz der Gesundheit der Beschäftigten, der Umwelt und von Gütern. Die Sicherheitsanforderungsstufe stellt ein Maß für die Zuverlässigkeit des Systems in Abhängigkeit von der Gefährdung dar. Prozesse mit einer geringeren Gefährdung werden durch einen Sicherheitskreis mit geringerem Level aufgebaut als Prozesse mit höherer Gefährdung, bei denen z.B. Menschen getötet werden können. Die notwendige SIL kann durch eine Gefährdungs- und Risikoanalyse ermittelt werden. SIL 4 stellt hierbei eine derart hohe Sicherheitsanforderungsstufe dar, dass sie in der Praxis in den meisten Bereichen nicht relevant ist, so etwa im Bereich von Maschinen und Fahrzeugen. Zu den typischen Sicherheitsfunktionen gehört die Überwachung gefährlicher Bewegungen (z.B. von Robotern, autonom fahrenden Fahrzeugen etc.), wozu ein LiDAR Laser-Scanner eingesetzt werden kann.
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Es gibt bisher kein Beispiel für eine Zertifizierung eines ES-PE (elektro-sensitive protective equiment) nach der Sicherheitsstufe SIL 3 und es gibt derzeit keine gültige Norm für den Freiluftbereich. Unter realistischen Gesichtspunkten soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein freilufttauglicher Laser-Scanner realisiert werden, der das Sicherheitslevel SIL 2 erfüllt.
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Ein Sicherheitsaspekt, der für einen unter Freiluftbedingungen zum Einsatz kommenden LiDAR Laser-Scanner zu beachten ist, ist die in Betracht zu ziehende Veränderung von atmosphärischen Bedingungen (Regen und Schneefall mit unterschiedlicher Intensität, Nebel, Staub, Rauch etc.). Mit zunehmender Intensität von atmosphärischen Störungen nimmt die sichere Reichweite des Laser-Scanners ab, da der Transmissionsgrad in der Atmosphäre zwischen dem Laser-Scanner und einem möglichen Zielobjekt im Überwachungsgebiet abnimmt und daher die sichere Reichweite abnimmt; als sichere Reichweite wird hier die maximale Entfernung bezeichnet, bei der die auf Basis des Transmissionsgrads der Atmosphäre und einer angenommenen minimalen Reflektivität des Zielobjekts erwartete Intensität des Echosignals des Zielobjekts größer als eine vorgegebene minimale Nachweisintensität des Laser-Scanners ist. Für die Reflektivität kann ein minimaler Wert angegeben werden, weil Reflektivitäten für praktisch alle Oberflächen größer als 2% sind. Es wäre daher eine wichtige Sicherheitsanforderung an den Laser-Scanner für den Freilufteinsatz, wenn der Laser-Scanner selbst die unter den aktuellen atmosphärischen Bedingungen sichere Messreichweite erfassen könnte und eine Warnmeldung ausgeben könnte, wenn diese aktuelle sichere Reichweite kleiner als eine vorgegebene minimale Reichweite ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen LiDAR Laser-Scanner so auszugestalten, dass ein Überwachungsgebiet an freier Luft unter Berücksichtigung der atmosphärischen Bedingungen so überwacht wird, dass der LiDAR Laser-Scanner automatisch erkennt, falls wegen atmosphärischer Störungen nicht mehr das gesamte Überwachungsgebiet sicher überwachbar ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dient der LiDAR Laser-Scanner mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Auswerterechner dazu eingerichtet, eine Sicherheitsanalyse der atmosphärischen Bedingungen durchzuführen. Dafür ist der Auswerterechner dazu eingerichtet, die Leistung atmosphärischen Echosignale zu ermitteln und durch Auswertung der Leistung der atmosphärischen Echosignale die aktuelle Transmission der Atmosphäre im Überwachungsgebiet zu bestimmen, auf Basis der aktuellen Transmission eine aktuell sichere Reichweite des LiDAR Laser-Scanners zu bestimmen und permanent dessen Funktionssicherheit zu überprüfen, indem überprüft wird, ob die aktuell sichere Reichweite größer als eine vorgegebene minimale Reichweite ist
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden bei der Prüfung der Funktionssicherheit zunächst räumlich zusammenhängende Echosignale als Profil eines Zielobjektes erkannt und bei der weiteren Sicherheitsanalyse unterdrückt und die verbleibenden Echosignale als atmosphärische Echosignale behandelt. Ein Zielobjekt ist mit seinen Echosignalen als räumlich zusammenhängendes Profil erkennbar, da für die Praxis relevante Zielobjekte eine gewisse räumliche Ausdehnung haben und daher bei der Abtastung eine Mehrzahl von Echosignalen an benachbarten Punkten erzeugen. Zur weiteren Durchführung der Sicherheitsanalyse ist der Auswerterechner dazu eingerichtet, die nach der Unterdrückung von Echosignalen eines Zielobjektes verbleibenden atmosphärischen Echosignale über den abgetasteten Winkelbereich zu summieren. Diese Maßnahme ist deswegen gerechtfertigt, da bei praktisch relevanten atmosphärischen Verhältnissen die atmosphärischen Bedingungen über die Blickrichtungen im Überwachungsgebiet nicht variieren, d.h. etwaiger Regen oder Schnee fällt in den Blickrichtungen über das Überwachungsgebiet in allen Blickrichtungen bis auf statistische Fluktuationen in gleicher Dichte.
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In der bevorzugten Ausführungsform ist der Auswerterechner ist zur Prüfung der Funktionssicherheit des LiDAR Laser-Scanners dazu eingerichtet, die über den Winkelbereich summierten Echosignale zu analysieren und die mittlere reflektierte Leistung der Echosignale als Funktion der Entfernung auszuwerten, indem die aufgenommene Kurve der mittleren Leistung als Funktion der Entfernung mit für verschiedene Transmissionen vorab bestimmten Kurven der mittleren erwartbaren Leistung als Funktion der Entfernung verglichen wird und daraus die aktuelle Transmission der Atmosphäre im Überwachungsgebiet bestimmt wird.
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In der bevorzugten Ausführungsform ist der Auswerterechner zur Prüfung der Funktionssicherheit dazu eingerichtet, unter Annahme einer minimalen Reflektivität des Zielobjektes eine aktuell sichere Reichweite, bei der die auf Basis der bestimmten Transmission und der minimalen Reflektivität resultierende Intensität der Echosignale des Zielobjekts größer als eine vorgegebene minimale Nachweisintensität des LiDAR Laser-Scanners ist, zu bestimmen und eine Warnmeldung zu erzeugen, wenn die aktuell sichere Reichweite kleiner als die vorgegebene minimale Reichweite ist.
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Durch die Erzeugung der Warnmeldung ist es möglich, einen im Überwachungsgebiet überwachten Prozess zu unterbrechen, beispielsweise den Betrieb einer Anlage oder eines Fahrzeugs anzuhalten, wenn der LiDAR Laser-Scanner bei der Sicherheitsanalyse der atmosphärischen Bedingungen feststellt, dass die aktuell sichere Reichweite kleiner als die vorgegebene minimale Reichweite ist, die benötigt wird, um das gesamte Überwachungsgebiet zu überwachen.
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Die sichere Reichweite ist durch die Anwendung vorgegeben und durch einen Sicherheitsabstand bestimmt, der den größten Abstand vom Sensor im Überwachungsgebiet darstellt. Der Sicherheitsabstand entspricht einer Distanz, über die Objekt sicher gemessen werden können. „Sicher messen“ bedeutet, dass jede Messung mit einer Messschwelle von 4,5 NEP (Noise Equivalant Power) erfolgreich ist. Das Echosignal muss diesen Wert (minimale Nachweisintensität) überschreiten.
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Die Stärke des Echosignals wird durch folgende Parameter bestimmt: Leistung der Laser-Impulse, Reflektivität des Zielobjekts, Abstand des Zielobjekts, Transmission über die optische Strecke zum Zielobjekt und zurück einschließlich atmosphärische Transmission und Transmission des sensorinternen optischen Weges.
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Die Leistung der Laser-Impulse ist fest vorgegeben. Für die Reflektivität des Zielobjekts wird ein minimal annehmbarer Wert angenommen, so dass praktisch jedes vorkommende Zielobjekt detektiert werden kann. Als Abstand wird der Sicherheitsabstand (größter möglicher Abstand im Überwachungsgebiet) verwendet. Darüber hinaus geht nur noch die bestimmte atmosphärische Transmission in die Berechnung ein.
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Durch die Sicherheitsanalyse der atmosphärischen Bedingungen und die damit erfolgende Prüfung der Funktionssicherheit wird überprüft, ob die aktuell sichere Reichweite die Überwachung des gesamten Überwachungsgebietes erlaubt. Wenn ja, ist die sichere Funktionsweise des LiDAR Laser-Scanners gewährleistet. Wenn nein, ist keine sichere Messung möglich und die Sicherheitsfunktion nicht gewährleistet, so dass auf eine entsprechende Warnmeldung hin der überwachte Prozess gestoppt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Auswerterechner zur Prüfung der Funktionssicherheit dazu eingerichtet, das Vorhandensein einzelner unterscheidbarer Reflexionssignale zu prüfen und, falls ja, jeweils die reflektierte Leistung der Reflexionssignale als Funktion der Entfernung auszuwerten, indem die Verteilung der reflektierten Leistungen als der Funktion der Entfernung als Kurve ausgewertet wird. Die Kurve der Leistung als Funktion der Entfernung wird im Auswerterechner dann mit den experimentellen Kurven der Leistung als Funktion der Entfernung unter Heranziehung wenigstens eines Kurvenparameters ausgewertet und auf Grundlage des Kurvenparameters oder der Kurvenparameter der aktuell bestimmten Kurve und des Kurvenparameters oder der Kurvenparameter der experimentellen Kurven die aktuelle Transmission bestimmt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Auswerterechner zur Prüfung der Funktionssicherheit dazu eingerichtet, falls keine einzelnen atmosphärischen Reflexionssignale auflösbar sind, die mittlere reflektierte Leistung pro Zeitintervall als Funktion der Entfernung als Kurve auszuwerten und die Kurve der Leistung als Funktion der Entfernung mit experimentellen Kurven der Leistung der Funktion der Entfernung unter Heranziehung wenigstens eines Kurvenparameters auszuwerten und auf Grundlage des Kurvenparameters oder der Kurvenparameter der aktuell bestimmten Kurve und des Kurvenparameters oder der Kurvenparameter der experimentellen Kurven die aktuelle Transmission zu bestimmen. (Dies soll den Fall von Nebel, Staub oder Rauch abdecken)
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Auswerterechner zur Prüfung der Funktionssicherheit dazu eingerichtet, als Kurvenparameter die maximale Leistung zu verwenden, die als Leistung am Maximalpunkt der Kurve definiert ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Auswerterechner zur Prüfung der Funktionssicherheit dazu eingerichtet, als Kurvenparameter eine Kurvenbreite um das Maximum zu verwenden, insbesondere die Breite der Kurve auf halber Höhe in Bezug auf die Höhe am Maximalpunkt der Kurve zu verwenden.
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Des Weiteren können auch beide der zuvor genannten Kurvenparameter bei der Sicherheitsanalyse in Kombination verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Sender in einer linearen Anordnung angeordnet. Die Scan-Vorrichtung ist dazu ausgestaltet, die Mehrzahl von Sendern in Richtung von deren linearer Ausdehnung in einem vorgegebenen Schrittmuster linear zu versetzen, um in einem zweidimensionalen Scan-Vorgang ein Profil eines Zielobjekts aufzunehmen.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Scan-Vorrichtung dazu ausgestaltet, um die Mehrzahl von Sendern und Empfängern in sukzessiven Abtastsequenzen so zu bewegen, dass ein dreidimensionales Raumwinkelsegment abgetastet wird. In diesem Fall kann die Mehrzahl von Sendern eine lineare Anordnung von Sendern aufweisen und die Scan-Vorrichtung eine Abtastsequenz senkrecht zur Längsrichtung der linearen Anordnung durchführen, so dass pro Abtastsequenz eine der Mehrzahl von Sendern und Empfängern entsprechende Mehrzahl von linearen, parallel zueinander liegenden Scanprofilen erzeugt wird. Die Scan-Vorrichtung ist weiter dazu ausgestaltet, weitere Abtastsequenzen in Richtung der linearen Anordnung der Mehrzahl der Sender versetzt durchzuführen, um das dreidimensionale Raumwinkelsegment mit linearen, parallel zueinander liegenden Scanprofilen abzudecken.
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In einer alternativen Ausführungsform einer Scan-Vorrichtung sind die Laser als Array angeordnet und senden vertikal zur Array-Ebene. Die Laser des Arrays werden so getriggert, dass sie sich ebenfalls zu einem 2D-Scan ergänzen. Parallel dazu ist ein Empfänger-Array angeordnet, und beide Arrays sind zueinander justiert. In diesem Fall ist keine Drehspiegel-Vorrichtung erforderlich, die schrittweise verstellt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind an einem die Mehrzahl von Sendern schützenden Fenster eine Lichtquelle und ein Lichtempfänger gegenüber einem Reflektor angeordnet, wobei die Prüfeinheit dazu eingerichtet ist, in Testintervallen die Lichtquelle zu betätigen und das durch das Fenster gesendete und von dem Reflektor reflektierte Licht mit dem Lichtempfänger bezüglich der empfangene Lichtintensität auszuwerten, um festzustellen, ob das Fenster eine vorgegebene minimale Transmission hat, und eine Alarmmeldung zu erzeugen, falls das Fenster eine geringere als die vorgegebene minimale Transmission hat.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Auswerteelektronik und der Auswerterechner jeweils zweifach als doppelte Auswerteketten vorhanden und durch unabhängig voneinander arbeitende, unterschiedliche Hardware-Komponenten aufgebaut und mit unabhängig voneinander programmierten Auswertungsalgorithmen programmiert, die Prüfeinheit ist dazu eingerichtet, die Auswertungsresultate der beiden Auswerteketten zu vergleichen und eine Alarmmeldung zu erzeugen, wenn die Auswertungsresultate um mehr als ein vorgegebenes Maß voneinander abweichen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Auswerterechner dazu eingerichtet, eine auf eine Abdeckung des LiDAR Laser-Scanners hinweisende Warnmeldung zu erzeugen, wenn über den gesamten das Überwachungsgebiet überstreichenden Winkelbereich oder einen zusammenhängenden Teilbereich davon keine Echosignale erfassbar sind. In diesem Fall ist davon auszugehen, dass das Sichtfeld des LiDAR Laser-Scanners in das Überwachungsgebiet durch ein Hindernis ganz oder teilweise blockiert ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen beschrieben, in denen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ansicht eines LiDAR Laser-Scanners ist, der eine einen Winkelbereich überstreichende Abtastsequenz von Laser-Impulsen aussendet,
- 2 eine schematische Darstellung des LiDAR Laser-Scanners und der gemessenen Entfernungen bei der Abtastung des Zielobjekts aus 1 ist,
- 3a und 3b die Verteilung atmosphärischer Echosignale als Funktion der Entfernung vom LiDAR Laser-Scanner zeigen,
- 3c und 3d die Verteilung der Leistung der Echosignale als Funktion der Entfernung zeigen, wobei die Kurve in 3d einer geringeren Dichte von atmosphärischen Störungspartikeln (Regentropfen, Schneeflocken) und somit eine höhere Transmission entspricht als die Kurve in 3c, und
- 4a eine schematische Darstellung eines LiDAR Laser-Scanners bei der Abtastung eines Überwachungsgebiets zeigt, in dem die Atmosphäre quasi-homogen für Reflexionen durch Mikropartikel (Nebel, Rauch) sorgt,
- 4b und 4c die Kurven der Leistung der erfassten Reflexionen als Funktion der Entfernung für den Fall höherer Mikropartikeldichte (geringere Transmission) und in 4c für den Fall geringerer Mikropartikeldichte (höhere Transmission) zeigt.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines LiDAR Laser-Scanners 2, wobei schematisch eine einen Winkelbereich 20 überdeckende Abtastung eines Überwachungsgebiets mit Laser-Impulsen 18 gezeigt ist, die jeweils durch einen Pfeil dargestellt sind. Zur Erzeugung der Laserimpulse der Abtastsequenz ist der Laser-Scanner mit einem Sender 8 in Form eines oder mehrerer Laser und einer Senderoptik 10 versehen, die den Lichtstrahl des Lasers auf eine der Spiegelflächen 6 eines Polygons 4 richtet, von der der Lichtstrahl in einen durch die Winkelstellung des Polygons 4 bestimmten Winkel in das Untersuchungsgebiet reflektiert wird. In diesem Fall hat das Polygon 4 vier Spiegelflächen 6. Das Polygon 4 ist drehbar aufgehängt und mit einem Antrieb und einem Encoder versehen. Zusammen mit dem Antrieb und dem Encoder bildet das Polygon 4 eine Scan-Vorrichtung, die eine Abtastsequenz durch Drehung des Polygon 4 in Winkelschritten um jeweils die halbe Schrittweite der Schritte der Strahlablenkung zwischen zwei aufeinander folgenden Laser-Impulsen 18 in dem überstrichenen Winkelbereich 20 ausführt.
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Ferner ist schematisch ein Empfänger 12 (Photosensor) mit einer Empfängeroptik 14 vorhanden; allerdings ist die Darstellung in 1 insoweit rein schematisch, denn der Empfänger 12 und die Empfängeroptik 14 müssten tatsächlich viel näher an dem Sender 8 und der Senderoptik 10 liegen, so dass reflektierte Strahlen 32, die von einem Zielobjekt 30 zurückgeworfen werden, durch das Fenster 16 des Laser-Scanners zurück und über die Spiegelfläche 6 und die Empfängeroptik 4 zu dem Empfänger 12 gelangen können (außer den am Zielobjekt 30 reflektierten Laserimpulsen 32 ist der weitere Strahlengang dieser reflektierten Impulse in 1 nicht dargestellt). Falls mehrere Laser verwendet werden, müssen entsprechend mehrere Empfänger vorhanden sein.
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Zu jedem ausgesendeten Laser-Impuls 18 können bei Empfang eines zugehörigen Echosignals eine Laufzeit und daraus die Entfernung des Reflexionspunktes bestimmt werden. Die dazu benötigten Komponenten, wie Auswerteelektronik und Auswerterechner, sind in 1 nicht dargestellt.
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2 zeigt schematisch das Ergebnis der in 1 dargestellten Abtastung des Überwachungsgebiets mit Laser-Impulsen 18. Dargestellt ist eine räumliche X-Koordinate, die sich entlang der Abtastrichtung der Abtastsequenz erstreckt, und eine Koordinate der Entfernung R vom Laser-Scanner 2. Durch Sterne 34 sind schematisch empfangene Echosignale 32 von Laser-Impulsen 18 dargestellt, die am Zielobjekt 30 reflektiert worden sind. Demgemäß liegen die Echosignale der reflektierten Laser-Impulse bei gleichem Abstand R, da die reflektierende Frontfläche des Zielobjekts 30 über die Frontfläche gleiche Abstände zum Laser-Scanner 2 hat. Ferner liegen die Echosignale 34 räumlich in Abtastrichtung X dicht nebeneinander, da sie von dicht nebeneinander liegenden Reflexionspunkten an der Frontfläche des Zielobjekts 30 stammen. Demgemäß können diese Echosignale als räumlich zusammenhängendes Profil eines Zielobjektes erkannt werden. Derartige Echosignale eines Zielobjekts werden in der nachfolgend beschriebenen Analyse der atmosphärischen Bedingungen unterdrückt, da darin nur atmosphärische Reflexionen berücksichtig werden sollen.
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In den 3a bis 3d sind verschiedene Darstellungen für eine Situation gezeigt, in der die Atmosphäre im Überwachungsgebiet einzelne Partikel, die atmosphärische Echosignale erzeugen, wie etwa Regentropfen oder Schneeflocken, enthält. Zur Durchführung der Sicherheitsanalyse wird angenommen, dass die Partikel (Regentropfen oder Schneeflocken) im Überwachungsgebiet bis auf statistische Fluktuationen gleich verteilt sind. Unter dieser Annahme können die empfangenen Echosignale für alle Laser-Impulse 18 über den Winkelbereich der Abtastsequenz summiert werden, da die atmosphärische Situation in allen Blickrichtungen die gleiche ist. Damit ergibt sich für die empfangenen atmosphärischen Echosignale 36 in 3a eine Häufigkeitsverteilung als Histogramm, wobei die X-Achse des Histogramms die Entfernung R vom Laser-Scanner 2 ist und die Anzahl der Einträge in jedem Intervall von R in 3a schematisch durch die Anzahl der Sternsymbole dargestellt ist.
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Mit zunehmender Anzahl von Echosignalen nimmt die Häufigkeitsverteilung des Histogramms aus 3a schließlich eine gleichmäßigere Verteilung an, die durch eine Kurve wie in 3b dargestellt werden kann, wobei bei der Verteilung in 3b noch einige statistische Fluktuationen zu erkennen sind. Bei noch höherer Anzahl von Echosignalen nimmt die Häufigkeitsverteilung dann die Form einer zunehmend glatten Kurve an.
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Zu jedem atmosphärischen Echosignal wird dann in der Sicherheitsanalyse die zugehörige reflektierte Impulsleistung bestimmt. In der Praxis wird die reflektierte Impulsleistung des Echosignals durch die aus der Impulsbreite des Echosignals bestimmt, die annähernd proportional zur reflektierten Impulsleistung ist. Die reflektierte Leistung der Echosignale der gesendeten Laser-Impulse ist proportional zu 1/R2.
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In 3c ist die Verteilung der reflektierten Leistungen der Echosignale als Funktion von deren Entfernung R dargestellt. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass bei einer hohen Anzahl von Echosignalen, die zum Beispiel durch die Überlagerung einer Vielzahl von aufeinander folgenden Abtastungen generiert werden können, die Verteilung der reflektierten Leistungen als der Funktion der Entfernung zu einer Kurve als Funktion der Entfernung konvergiert, wobei die Kurve für jeden Wert R die mittlere reflektierte Leistung bei diesem Wert R repräsentiert.
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Die in 3c dargestellte Kurve der reflektierten Leistung der Echosignale als Funktion der Entfernung R zeigt die Situation für eine relativ hohe Dichte von atmosphärischen Partikeln (Regentropfen, Schneeflocken) und spiegelt demgemäß eine relativ niedrige Transmission wieder.
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3d zeigt die entsprechende Kurve der Leistung der reflektierten Echosignale als Funktion der Entfernung R für eine atmosphärische Situation, in der gegenüber 3c eine relativ niedrigere Dichte von atmosphärischen Partikeln Echosignale erzeugt und in der demgemäß die Transmission in der Atmosphäre höher ist als in der Situation von 3c. Wie zu erkennen ist, ist im Falle niedrigerer Partikeldichte und demgemäß höherer Transmission die Kurve der Leistung als Funktion der Entfernung R flacher und hat eine größere Impulsbreite 42.
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Demzufolge ist es möglich, für verschiedene Transmissionen die Kurve der reflektierten Leistung als Funktion der Entfernung R wie in 3c und 3d durch Kurvenparameter wie die Amplitude 40 im Maximum und die Kurvenbreite 42 zu charakterisieren.
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Daher ist es möglich, für eine Reihe von atmosphärischen Partikeldichten vorab die entsprechenden resultierenden Kurven der reflektierten Leistung als Funktion der Entfernung zu bestimmen und deren Kurvenparameter wie die Kurvenbreite 42 und die Amplitudenhöhe 40 im Maximum vorab zugeordnet zu der zugehörigen Partikeldichte und der sich daraus ergebenden Transmission zu speichern.
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Im laufenden Betrieb des Laser-Scannens wird dann eine aktuell aufgenommene Kurve der atmosphärischen Reflexionen im Hinblick auf die Kurvenparameter der Kurvenbreite 42 und der Amplitudenhöhe im Maximum ausgewertet. Durch Bezugnahme auf die entsprechenden Kurvenparameter der für bekannte Partikeldichten und Transmissionen vorab bestimmten Kurven kann dann die aktuell gegebene atmosphärische Transmission bestimmt werden, wobei entweder die vorab bestimmte Kurve mit den nächstliegende Werten für die Kurvenbreite 42 und Amplitudenhöhe 40 im Maximum ausgewählt wird und die für diese bekannte Transmission als aktuell vorliegende Transmission bestimmt wird; alternativ kann auch zwischen vorab bekannten Kurven benachbarter Transmissionswerte interpoliert werden, um die aktuell vorliegende Transmission zu bestimmen.
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Durch die so bestimmte aktuelle Transmission kann eine Sicherheitsanalyse der atmosphärischen Bedingungen durch geführt werden. Unter Annahme einer minimalen Reflektivität des Zielobjektes wird eine aktuell sichere Reichweite bestimmt, bei der die auf Basis der bestimmten Transmission und der minimalen Reflektivität resultierende Intensität der Echosignale des Zielobjekts größer als eine vorgegebene minimale Nachweisintensität des LiDAR Laser-Scanners ist. Wenn die so vom Auswerterechner bestimmte aktuell sichere Reichweite kleiner als die vorgegebene minimale Reichweite ist, wird eine Warnmeldung erzeugt, die anzeigt, dass eine sichere Funktionsweise des Laser-Scanners nicht mehr gewährleistet ist.
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Der Auswerterechner ist dazu eingerichtet, eine modifizierte Auswertungsweise der atmosphärischen Reflexionen anzuwenden, wenn die Abstände der atmosphärischen Reflexionspunkte unterhalb des Auflösungsvermögens des Laser-Scanners liegen und der Laser-Scanner daher eine quasi-kontinuierliche Reflexion in der Atmosphäre im Überwachungsgebiet erfasst. Dies ist der Fall für atmosphärische Bedingungen mit einer extrem großen Dichte von sehr kleinen Reflexionspartikeln, wie dies im Fall von Nebel, Staub oder Rauch gegeben ist. 4a illustriert die Situation, in der Nebel die Sicht im Überwachungsgebiet behindert. Die dargestellten Punkte sollen die Anzahl der Reflexionen im Nebel als Funktion des Abstands R vom Laser-Scanner 2 symbolisieren. Die mit zunehmendem R zunehmende Dichte der Punkte symbolisiert so die mit wachsendem R mit R2 zunehmende Anzahl von Reflexionen an Nebeltröpfen. Diese Reflexionen an Nebeltröpfchen sind für den Laser-Scanner allerdings wie bereits erwähnt nicht auflösbar, sondern jede Kugelsegmentschale 50 liefert einen Reflexionsimpuls ähnlich dem von einem festen Objekt. Jede weitere Kugelsegmentschale liefert leicht versetzt einen ähnlichen reflektierten Impuls, der sich dem ersten überlagert. Dadurch entsteht eine Überlagerung von Impulsen aller Kugelsegmentschalen des durchlaufenden Volumens, die sich zu einem verbreiterten Impuls überlagern.
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In diesem Fall wird nicht die Leistung einzelner atmosphärischer Echosignale bestimmt, sondern die pro Zeitintervall empfangene reflektierte Leistung erfasst und als Funktion der Entfernung R ausgewertet.
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In 4b ist die reflektierte Leistung als Funktion der Entfernung für eine Situation mit dichtem Nebel dargestellt, und in 4c ist die entsprechende Kurve der Leistung als Funktion der Entfernung für eine Situation mit weniger dichtem Nebel dargestellt. Es ist wiederum zu erkennen, dass bei höherer Reflexionsdichte und entsprechend niedrigerer Transmission (dichter Nebel in 4b) die Amplitudenhöhe 40 und die Kurvenbreite 42 sich von den entsprechenden Kurvenparametern im Fall einer geringeren Dichte von Reflexionspunkten (leichterer Nebel in 4c) unterscheidet, in der die Amplitudenhöhe 40 niedriger und die Kurvenbreite 42 höher ist als im Fall von 4b. Auch in diesem Fall ist es also möglich, für eine Sequenz von bekannten Partikeldichten (Nebeltröpfchendichte, Rauchpartikeldichte) vorab eine Reihe von dabei zu erwartenden Kurven der erfassten reflektierten Leistung als Funktion der Entfernung R zu bestimmen und zu den bekannten Transmissionen die resultierenden Kurvenparameter der Kurven abzuspeichern. Im Fall einer aktuell gemessenen Kurve der reflektierten Leistung als Funktion der Entfernung in Nebelsituationen kann dann unter Heranziehung der Kurvenparameter der aktuell bestimmten Kurve und der entsprechenden Kurvenparameter der vorab bestimmten Kurven für bekannte Transmissionen die aktuell vorliegende Transmission bestimmt werden. Dazu kann die am besten im Hinblick auf die Kurvenparameter 40 und 42 passende Kurve der vorab bestimmten Kurven selektiert und die zugehörige bekannte Transmission als aktuell bestimmte Transmission verwenden werden. Alternativ können auch die Kurvenparameter zweier vorab bestimmter Kurven mit benachbarten Transmissionswerten verwendet werden, um die aktuelle Transmission durch Interpolation zu bestimmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016113149 A1 [0003, 0037]
- EP 1522870 A1 [0037]
- EP 1901093 A1 [0037]
