Title:
Vorrichtung und Verfahren zur eindeutigen Abstandsmessung mit moduliertem LIDAR
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Lichtlaufzeit-Scanner für die Erfassung der Geometrie einer Szene durch die Bestimmung der Lichtlaufzeit, mit einem Sendeelement (7), das einen modulierten Lichtstrahl aussendet, welcher in einer kontinuierlichen Scanbewegung bewegt, um wenigstens ein Objekt (4) in der Szene zu vermessen und einem Empfangselement (1), das vom Objekt (4) reflektiertes Licht empfängt und elektrische Signale abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangselement (1) eine laterale Ausdehnung besitzt und ein oder mehrere von der Position oder dem Winkel des einfallenden Lichts abhängige elektrische Signale abgibt und dabei so angeordnet ist, dass die Position oder der Winkel des empfangenen Lichts durch die Scanbewegung von der Laufzeit des Lichts und damit der Entfernung des oder der gerade gemessenen Objekte(s) (4) abhängig ist.





Inventors:
gleich Anmelder
Application Number:
DE102016006776A
Publication Date:
11/30/2017
Filing Date:
05/25/2016
Assignee:
Wolf, Kai, Dr., 72631 (DE)
International Classes:
G01S7/497; G01S17/36
Claims:
1. Lichtlaufzeit-Scanner für die Erfassung der Geometrie einer Szene durch die Bestimmung der Lichtlaufzeit, mit einem Sendeelement (7), das einen modulierten Lichtstrahl aussendet, welcher in einer kontinuierlichen Scanbewegung bewegt, um wenigstens ein Objekt (4) in der Szene zu vermessen und einem Empfangselement (1), das vom Objekt (4) reflektiertes Licht empfängt und elektrische Signale abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangselement (1) eine laterale Ausdehnung besitzt und ein oder mehrere von der Position oder dem Winkel des einfallenden Lichts abhängige elektrische Signale abgibt und dabei so angeordnet ist, dass die Position oder der Winkel des empfangenen Lichts durch die Scanbewegung von der Laufzeit des Lichts und damit der Entfernung des oder der gerade gemessenen Objekte(s) (4) abhängig ist.

2. Lichtlaufzeit-Scanner nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Objektentfernung durch die Bestimmung der Phasendifferenz zwischen ausgesendetem und empfangenen Licht erfolgt, wobei die Mehrdeutigkeit der Phasenmessung durch die gleichzeitige Bestimmung der Position oder des Winkels der empfangenen Strahlung auf dem Empfangselement (1) aufgelöst wird.

3. Lichtlaufzeit-Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scanbewegung durch einen beweglichen Spiegel (3), welcher beispielsweise als Schwingspiegel, als rotierender schräg gestellter Spiegel, als Polygonrad oder als mikromechanischer Spiegel oder Spiegel Array ausgeführt sein kann, bei feststehenden Sendeelement (7) und feststehendem Empfänger (1) realisiert wird oder dass die Scanbewegung durch einen als Ganzes drehenden oder schwingenden Sensorkopf realisiert wird.

4. Lichtlaufzeit-Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildung des empfangenen Lichts auf das Empfangselement (1) durch eine Optik (2) vergrößert wird.

5. Lichtlaufzeit-Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektentfernung zeitweise, z. B. bei übersteuertem Empfänger, oder permanent mit unter Umständen reduzierter Genauigkeit ausschließlich durch die Positions- oder Winkelbestimmung des Empfängers (1) durchgeführt wird; alternativ kann die Entfernungsmessung zeitweise oder permanent, z. B. bei bekannt kleinen Objektabständen ausschließlich durch die Phasenmessung durchgeführt werden, wobei hierzu eine geeignete Wellenlänge der Modulation gewählt wird.

6. Lichtlaufzeit-Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendeelement (7) die modulierten Lichtsignale nicht kontinuierlich sondern nur zeitweise abgibt, wobei hier vorteilhafterweise bei gleicher durchschnittlicher Sendeleistung die Leistung in der aktiven Zeit entsprechend vergrößert werden kann.

7. Lichtlaufzeit-Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangselement (1) ein kontinuierliches positionsabhängiges Signal liefert (PSD – Position Sensitive Detector) wie z. B. eine Lateraldiode.

8. Lichtlaufzeit-Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangselement (1) aus mehreren Empfangsunterelementen besteht, mit deren Hilfe die Positionsbestimmung durchgeführt werden kann und/oder die einzelnen Empfangsunterelemente getrennt bezüglich ihrer Phasenlage ausgewertet werden, um so eine Mehrzielfähigkeit des Scanners zu erzielen.

9. Lichtlaufzeit-Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der Temperaturdrift oder sonstiger mechanischer oder elektrischer Abweichungen ein oder mehrere einzelne bekannte Referenz Flächen innerhalb des Scanners aufgebracht sind; alternativ kann die Referenz auch räumlich ausgedehnt durch ein teilweise reflektierendes Material erfolgen, welches entweder so schwach reflektiert, dass ein zu messendes Objekt ein viel stärkeres Signal liefert, oder welches bei Mehrzielfähigkeit des Scanners innerhalb des ersten Entfernungsbereichs liegt.

10. Lichtlaufzeit-Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der geometrischen Genauigkeit der Winkel φ mit Hilfe der gemessenen Entfernung korrigiert wird.

Description:

Die Erfindung betrifft einen Lichtlaufzeit-Scanner, der die Geometrie einer Szene durch die Bestimmung der Lichtlaufzeit erfasst.

Beschreibung

Unter dem Begriff LIDAR sind optische Scanner bekannt, welche mittels Lichtlaufzeit Abstandsinformationen gewinnen. Insbesondere sind Impulsverfahren (z. B. DE 10 2009 057 104B4 oder DE 3429062C2) und modulierende Verfahren (z. B. EP 1 160 585 A2) bekannt. Beide Verfahren haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile.

Das Impulsverfahren hat folgende Vorteile: eindeutige Messung im gesamten Messbereich. Mit entsprechender Auswerteelektronik ist eine Mehrzielerfassung möglich. Die Nachteile bestehen in der sehr hohen zeitlichen Anforderung an die verwendeten Komponenten. Es müssen Zeiten im ns Bereich beherrscht werden und zwar sowohl auf der Sendeseite wie auf der Empfangsseite. Auch wenn es einige technische Optimierungen gibt, so bleibt die gesamte Elektronik doch stets der limitierende Faktor bei der Erzielung größerer Genauigkeit. Weiterhin müssen die einzelnen Impulse stets einen genügend großen zeitlichen Abstand voneinander aufweisen, um selbst bei maximaler Objektentfernung keine Mehrdeutigkeiten zu erhalten. Dies kann insbesondere beim Einsatz im Außenbereich problematisch sein, da ein gut reflektierendes Objekt oft noch in sehr großer Entfernung ein Signal zurück gibt.

Die modulierenden Verfahren haben folgende Vorteile: gute Genauigkeit sowie, dass die benötigte Bandbreite sowohl im Sendezweig wie auch im Empfangszweig ist im wesentlichen durch die verwendete Wellenlänge bestimmt wird (z. B. 30 MHz für eine Wellenlänge von 10 m bei einer Sinusmodulation). Außerdem ist die Trennschärfe gegenüber Fremdlichteinflüssen durch die Demodulation außerordentlich gut. Grundsätzlich ist ein kontinuierlicher Betrieb möglich, aber nicht nötig. Die Sendeleistung kann mit einfachen Verfahren dem Empfangsbereich angepasst werden. Die Nachteile sind die Mehrdeutigkeit bei Messfeldern, die größer als die Wellenlänge sind, sowie die nicht vorhandene Mehrzielfähigkeit.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Einschränkung der Mehrdeutigkeit sowie die nicht mögliche Mehrzielfähigkeit des modulierenden Verfahren zu beheben.

Die erfindungsgemäße Lösung ist im Patentanspruch 1 aufgeführt.

Es wird eine Vorrichtung und das zugehörige Verfahren für die Bestimmung von mehreren Abstandwerten mit Hilfe der Lichtlaufzeit beschrieben. Dabei wird der modulierte Lichtstrahl in einer kontinuierlichen Scanbewegung über die Szene geführt. Die Entfernungsbestimmung erfolgt gleichzeitig mit zwei unterschiedlichen Methoden. Einerseits durch eine bekannte Modulation der Intensität. Hieraus kann mit einem Phasenalgorithmus die Entfernung bestimmt werden, allerdings nicht absolut eindeutig, sondern nur eindeutig innerhalb einer Wellenlänge der verwendeten Modulationsfrequenz. Als zweites Bestimmungsverfahren wird die Tatsache ausgenutzt, dass der Empfangswinkel des reflektierten Lichts durch die Scanbewegung (z. B. mit Hilfe eines Schwingspiegels) abhängig von der Laufzeit vergrößert wird. Durch ein geeignetes Empfangselement kann aus der lateralen Abweichung daher ebenfalls eine, wenn auch ungenauere, Entfernungsmessung erfolgen. Solange die Genauigkeit ausreicht um die Mehrdeutigkeit der ersten Abstandsmessung aufzulösen, kann das Verfahren in einfacher Weise die jeweiligen Nachteile (Mehrdeutigkeit bzw. Ungenauigkeit) überwinden und so ein genaues und gleichzeitig absolutes Messverfahren darstellen. Weiterhin werden einige technische Realisierungsmöglichkeiten beschrieben.

Die Zeichung zeigt in

1A bis 1C das Aussenden eines Lichtstrahls und Empfangen des reflektierten Lichts,

2 ein Empfangselement, und

3 ein Array von Einzelemfangselementen.

Die erfindungsgemäße Anordnung entspricht zunächst der eines bekannten scannenden LIDAR mit moduliertem Licht. Diese besteht im wesentlichen aus einem Sendeelement 7 und einem Empfangselement 1. Bei dem Sendeelement kann es sich um eine kohärente (Laser) oder um eine inkohärente (z. B. LED) Lichtquelle handeln. Die erfindungsgemäße Idee besteht darin, dass das Empfangselement 1 eine laterale Ausdehnung besitzt und ein oder mehrere von der Position oder dem Winkel des einfallenden Lichts abhängige elektrische Signale abgibt und dabei so angeordnet ist, dass die Position oder der Winkel des empfangenen Lichts durch die Scanbewegung von der Laufzeit des Lichts und damit der Entfernung des oder der gerade gemessenen Objekte(s) 4 abhängig ist. Die Funktionsweise ist in 1 schematisch abgebildet. Zum Zeitpunkt t1 ist die Ablenkung, hier dargestellt durch einen als Schwingspiegel ausgebildeten Spiegel 3, an der Winkelposition φ1. Der beobachtete Lichtpunkt sei zu dieser Zeit gerade am Spiegel 3 und wird in Richtung des Mess-Objektes 4 abgelenkt. Zum Zeitpunkt t2 an dem der Lichtpunkt am Objekt (4) eintrifft ist der Spiegel bereits weiter ausgelenkt in der Winkelposition φ2. Zum Zeitpunkt t3 trifft der reflektierte Lichtpunkt wieder auf den Spiegel 3 zurück. Dieser befindet sich nun in der Winkelposition φ3. Im weiteren Verlauf wird der Punkt auf dem Empfangselement 1 detektiert und zwar um die Position dx im Vergleich zum unbewegten Spiegel verschoben. Die Abweichung dx kann direkt gemessen werden und liefert eine zweite Möglichkeit zur Tiefenbestimmung des Objektes 4.

Der in Patentanspruch 2 beschriebene Vorteil bestehen nun darin, dass mit nur einem Sendeelement und nur einer Empfangsanordnung zwei unterschiedliche Methoden zur Tiefenmessung gleichzeitig durchgeführt werden können. Der Nachteil der Mehrdeutigkeit des modulierten Verfahrens kann somit, ohne die Vorteile zu mindern, behoben werden. Auch wenn die erzielte Genauigkeit der Tiefenmessung durch die Ablenkung dx in der Regel deutlich geringer sein wird als die Phasenmessgenauigkeit, muss sie aber nur ausreichend gut sein um die Mehrdeutigkeit der reinen Phasenmessung zu beheben. Konkret kann dies wie folgt durchgeführt werden: die verhältnismäßig ungenaue Tiefenmessung durch Messung von dx wird in Vielfachen der Wellenlängen der Modulation ausgedrückt. Nun wird auf die nächste ganze Zahl n gerundet. Das Messergebnis ist nun die Summe aus Tiefenmessung der Phasendifferenz plus n mal der Wellenlänge. Die Messung selbst hat damit die Genauigkeit der reinen Phasenmessung bei gleichzeitiger absoluter Entfernungsbestimmung.

Einige mögliche Ausgestaltungen des Scan Vorgangs sind in Patentanspruch 3 angegeben. Um die Scanbewegung durchzuführen kann grundsätzlich entweder der gesamte Scankopf bewegt werden oder der Lichtstrahl wird mittels eines bewegten Spiegels umgelenkt. Dabei kann die Bewegung jeweils kontinuierlich drehend oder schwingend sein. Als mögliche Ausführungen des bewegten Spielgels kommen zum Beispiel Schwingspiegel, rotierende schräg gestellte Spiegel, Polygonräder oder mikromechanische Spiegel oder Spiegelarrays in Frage.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 4 angegeben. Da die Ablenkung dx in der Regel sehr klein (Größenordnung μm) ist kann die dadurch erzielte Messgenauigkeit durch eine angepasste vergrößernde Optik 2 gesteigert werden. Diese kann zum Beispiel als Linse, Linsensystem oder Spiegelelement wie Zylinderspiegel oder als diffraktives optisches Element ausgeführt sein. Bei einer kohärent optischen Beleuchtung kann auch ein Interferenz Element verwendet werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 5 angegeben. Da die Messanordnung gleichzeitig zwei getrennte Abstandsmessungen ermöglicht, kann die Abstandmessung zeitweise oder permanent auch mit nur einer der beiden Möglichkeiten, mit den jeweiligen Nachteilen, durchgeführt werden. Die Entscheidung kann für jeden Messpunkt individuell getroffen werden. Zum Beispiel kann, wenn der Detektor übersteuert ist und daher keine gute Demodulation der Phasenlage möglich ist, auf die Abstandmessung mittels dx zurückgegriffen werden, um einen wenn auch ungenaueren Abstandswert zu ermitteln. Für die weitere Auswertung kann die geschätzte Messgenauigkeit den Messwerten beigefügt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 6 angegeben. Um bei vorgegebener durchschnittlicher Lichtleistung, beispielsweise bedingt durch technische Beschränkungen oder durch regulatorische (Augensicherheit) Auflagen, einen möglichst hohen Kontrast zu erzeugen kann die Abgabe der modulierten Lichtsignale mit dem Sendeelement 7 nur zeitweise mit entsprechend höherer Leistung erfolgen. Dadurch wird der Fremdlichtabstand vergrößert und gleichzeitig eine weniger laterale ausgedehnte Messwertausdehnung erzeugt. Dies kann insbesondere bei kleinen Objekten oder bei Objekten, die stark tangential beobachtet werden, zu einer Verbesserung der Einzelmessung führen, da die innerhalb des Messpunktes integrierten Abstandsänderungen geringer sind. Dies kann soweit geführt werden, dass ein stark pulsförmiges Sendesignal verwendet wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Empfangselements 1 ist im Patentanspruch 7 angegeben. Wie in 2 skizziert kann das Empfangselement (1) als analoges „Position sensitive device” (PSD) wie zum Beispiel eine Lateraldiode ausgeführt sein. Hierbei ist ein optisches Element beschrieben welches, im eindimensionalen Fall, zwei Ausgangssignale liefert. Die Amplitude der Signale geben die Position des empfangenen Lichts in Relation zur jeweiligen Seite des Element an. Die Summe der beiden Signale ist unabhängig von der Position und kann vorteilhaft für die Bestimmung der Phasenlage mittels eines Phasendetektors 5 verwendet werden. Der hier beschriebene Phasendetektor bestimmt mit Hilfe einer durch die Modulation vorgegebenen Referenzphase, beispielsweise durch eine Demodulation, die Phasendifferenz sowie die Intensität I des empfangenen Signals. Entsprechend kann aus der Differenz der beiden Signale mit einem Demodulator 6 der Ort dx des empfangenen Lichts ermittelt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Empfangselements 1 ist im Patentanspruch 8 angegeben. Wie in 3 skizziert kann das Empfangselement 1 als Array von Einzelempfangselementen aufgebaut sein. Dabei kann die Demodulation der Phasen und Amplitudenmodulation zum Beispiel mit einem Photomischdetektor (PMD, DE19704496C2) Element erfolgen oder durch separate Phasendetektoren 5. Es kann auch ein herkömmliches ein- oder zweidimensionales PMD Array verwendet werden. Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung ist die prinzipiell mögliche Mehrzielfähigkeit bei getrennter Auswertung von einzelnen lichtempfindlichen Elementen. Da die Lichtlaufzeit durch die Scanbewegung zu einer räumlichen Trennung der in unterschiedlichem Abstand reflektierten Signale führt kann in jedem lichtempfindlichen Element ein Messwert einschließlich der Modulationsamplitude (korreliert mit der Genauigkeit bzw. Wahrscheinlichkeit eines Ziel-Objektes) berechnet werden. Damit ist das System mehrzielfähig.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung um mechanische oder elektronische Ungenauigkeiten zum Beispiel Montageungenauigkeiten oder Temperaturdrifts ausgleichen zu können, ist im Patentanspruch 9 angegeben. Um Ungenauigkeiten unabhängig welcher Art automatisch kompensieren zu können, können im Scanner bekannte Referenz Flächen (Kalibrierziele) angebracht werden. Während des regulären Scanvorgangs werden diese Kalibrierziele mitgemessen und können für eine rechnerische Kompensation der eigentlichen Messwerte verwendet werden. Je nach gewählter Verteilung der Kalibrierziele kann dies für ein rechnerisches Ausgleichsmodell oder aber individuell für jede Messwertposition geschehen. Das oder die Kalibrierziele können lateral verteil sein, zum Beispiel vor dem ersten und nach dem letzten Messwert. Sie können aber auch über einen größeren oder den gesamten Winkelbereich als einzelne Kalibierziele verteil sein, zum Beispiel jeweils zwischen zwei vorgesehenen Messwerten. Der Ausgangsbereich des Scanners wäre dann durch die Kalibrierziele wie durch ein Sieb bedeckt. Falls die Lichtleistung zum Beispiel aufgrund der Augensicherheit gezielt gedrosselt wurde, kann sie in diesem Fall wieder soweit angehoben werden, dass die mittlere Strahlleistung im Außenbereich wieder den Sicherheitsanforderungen genügt. Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich eine räumlich ausgedehnte, vorteilhafterweise den ganzen Winkelbereich umfassende, teilweise reflektierende Grenzfläche im Scanner als Referenz verwendet werden. Der Reflexionsgrad sollte so gewählt werden, dass die zu messenden Objekte ein deutlich stärkeres Signal liefern und somit die Referenzmessung nur in Bereichen ohne zu messendes Objekt zum tragen kommt. Bei einem mehrzielfähigen Scanner kann auch der erste Entfernungsbereich ganz durch die Referenzmessung belegt werden. Auch im Fall eines ausgedehnten Referenzziels kann die Lichtleistung ggf. soweit erhöht werden wie es die Applikation erlaubt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 10 angegeben. Da die Messung auf der Bestimmung der Lichtlaufzeit beruht, ist diese für ein oder mehrere gemessene Objekt(e) 4 bekannt. Bei einem kontinuierlichen oder zumindest kurzzeitig kontinuierlichem Messbetrieb kann durch die gemessene Lichtlaufzeit der Zeitpunkt t1, an welchem der gemessene Lichtstrahl den Scanner verlassen hat, zurückgerechnet werden. Mit dieser Kenntnis kann auch der ursprüngliche Winkel φ1, unter welchem der Lichtstrahl den Scanner verlassen hat, ermittelt werden. Dieser Winkel kann zur Verbesserung der Genauigkeit anstelle des Winkels des empfangenen Lichts verwendet werden. Dadurch wird der Winkelfehler durch die Lichtlaufzeit kompensiert.

Bezugszeichenliste

1
Empfangselement
2
Optik
3
Spiegel
4
Objekt
5
Phasendetektor
6
Demodulator
7
Sendeelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • DE 102009057104 B4 [0002]
  • DE 3429062 C2 [0002]
  • EP 1160585 A2 [0002]
  • DE 19704496 C2 [0019]