DE102018129246B4

DE102018129246B4 - Interferenzdetektierung und -minderung für lidarsysteme

Info

Publication number: DE102018129246B4
Application number: DE102018129246.5A
Authority: DE
Inventors: Paul Meissner; Alexander Melzer; Christoph Steiner; Hendrikus Wilhelmus Leonardus A. M. Van Lierop; Michiel Helsloot; Vladimir Petrovic
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2038-11-22
Also published as: DE102018129246A1; US20200158825A1; CN111208490B; KR102280072B1; KR20200060682A; US11415671B2; CN111208490A

Abstract

Ein LIDAR-Sensor (500), umfassend:einen Detektor (510), der ausgebildet ist, zumErzeugen eines ersten Detektorsignal-Abtastwerts (240-1) bei einer ersten Verzögerungszeit nach einer Emission eines ersten Lichtpulses; und zumErzeugen von zumindest einem zweiten Detektorsignal-Abtastwert (240-2) bei der ersten Verzögerungszeit nach einer Emission von zumindest einem zweiten Lichtpuls; undeinen Prozessor (520), der ausgebildet ist, zumMessen einer Variation zwischen dem ersten und dem zumindest einen zweiten Detektorsignal-Abtastwert, und zumDetektieren des Vorliegens eines Störers, wenn die Variation eine vordefinierte Schwelle überschreitet.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf LIDAR (Light Detection and Ranging) -Systeme und insbesondere auf Interferenzdetektierung und/oder -minderung für gepulste LIDAR-Systeme.
Hintergrund
LIDAR bezieht sich auf ein Vermessungskonzept, das eine Distanz zu einem Ziel durch Beleuchten des Ziels mit gepulstem Laserlicht und Messen der reflektierten Pulse mit einem lichtempfindlichen Sensor misst. Unterschiede bei Laserrückkehrzeiten und Wellenlängen können dann verwendet werden, um digitale 3D-Repräsentationen des Ziels zu erstellen. Anders ausgedrückt, kann die Entfernung von der Lichtquelle zu dem Ziel basierend auf der Laufzeit (ToF; time-of-flight) des Lichtstrahls von der Quelle zu dem Sensor bestimmt werden. Um Entfernungen zu mehreren Zielen in einem Sichtfeld des LIDAR-Systems zu messen, kann ein Laserstrahl in eine oder zwei Dimensionen gescannt werden.
LIDAR-Sensoren sollen eine wichtige Rolle für zukünftige fortschrittliche Fahrassistenzsysteme (ADAS; advanced driving assistance systems) und noch mehr für autonomes Fahren (AD; autonomous driving) spielen. Der Grund dafür ist, dass sie eine hohe Auflösung in sowohl radialen als auch lateralen Richtungen erlauben. Letzteres ist beispielsweise viel besser als bei vergleichbaren Radarsensoren. In den kommenden Jahren werden wahrscheinlich aufgrund der Miniaturisierung und kostengünstigeren Produktion dieser Sensoren immer mehr LIDAR-Sensoren in Fahrzeugen auf der Straße eingesetzt werden. Ein Nachteil davon ist eine erhöhte Wahrscheinlichkeit von Interferenz zwischen mehreren LIDAR-Sensoren.
Die DE 10 2007 013 714 A1 schlägt vor eine Vielzahl von Einzellichtpulsen auszusenden und deren Information statistisch auszuwerten, um robust gegen Störeinflüsse zu sein. Dabei ist die Wiederholungsfrequenz der Aussendung hoch genug, um trotz der Mehrfachmessung zur Erzeugung der für die Statistik notwendigen Daten noch eine rasche Entfernungsbestimmung zu ermöglichen.
Die WO 2003 / 107 035 A2 beschreibt ein Verfahren zur Unterdrückung von Störungen in Systemen zur Objekterfassung in einem Zielgebiet, bei dem mit zumindest einem Sender eine Folge von Impulsen in das Zielgebiet gesendet und mit zumindest einem Empfänger die Reflexionssignale der Impulse innerhalb mehrerer Zeitfenster erfasst werden, wobei die Zeitfenster jeweils in Bezug auf den Zeitpunkt der Absendung der einzelnen Impulse ausgerichtet werden und so jeweils ein Entfernungstor darstellen, wobei der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen Impulsen nach dem Pseudo-Noise-Prinzip innerhalb vorgegebener Grenzen zufallscodiert ist und die Zeitfenster entsprechend angepasst werden und eine Abtastung, eine Digitalisierung, gegebenenfalls eine digitale Vorverarbeitung und nachfolgend eine digitale Filterung des empfangenen Reflexionssignals in den einzelnen Entfernungstoren erfolgt, wobei für die Filterung ein nichtlineares digitales Filter zur Unterdrückung transienter Störungen verwendet wird. Vorzugsweise Wird für die nichtlineare digitale Filterung ein Medianfilter verwendet, bei dem aus jeweils einer ungeraden Anzahl von aufeinanderfolgenden Abtastwerten eines innerhalb eines Entfernungstors erfassten Reflexionssignals der Median bestimmt wird.
In der WO 2018/152201 A1 wird ein Konzept offenbart, bei dem steuerbare Verzögerungen zwischen aufeinanderfolgenden Ladarimpulsen verwendet werden, um zwischen „eigenen“ Ladarimpulsreflexionen und „interferierenden“ Ladarimpulsreflexionen durch einen Empfänger zu unterscheiden. Beispielhafte Ausführungsformen umfassen Entwürfe, bei denen eine Sparse-Delay-Summenschaltung am Empfänger verwendet wird und bei denen ein Trichterfilter am Empfänger verwendet wird. Es werden auch Techniken zum Auswählen von Codes zur Verwendung für die steuerbaren Verzögerungen sowie Techniken zum Identifizieren und Verfolgen von interferierenden Ladar-Impulsen und ihren entsprechenden Verzögerungscodes offenbart.
Es besteht weiterhin Bedarf nach Interferenzdetektierungs- und/oder -minderungskonzepten für LIDAR-Systeme.
Zusammenfassung
Dieser Bedarf wird durch Vorrichtungen und Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen angesprochen. Ausführungsbeispiele, die in bestimmten Szenarien vorteilhaft sein können, werden durch die abhängigen Ansprüche angesprochen.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein LIDAR-Sensor bereitgestellt, der eine Detektorschaltung umfasst, die ausgebildet ist, um ein erstes Detektorsignal bei einer ersten Verzögerungszeit nach einer Emission eines ersten Lichtpulses zu erzeugen und zumindest ein zweites Detektorsignal bei der gleichen ersten Verzögerungszeit nach einer Emission von zumindest einem zweiten Lichtpuls zu erzeugen. Der LIDAR-Sensor weist auch eine Prozessorschaltung auf, die ausgebildet ist, um ein kombiniertes Signal für die erste Verzögerungszeit, basierend auf einer Kombination des ersten und des zumindest einen zweiten Detektorsignals, zu erzeugen. Anders ausgedrückt sind gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen mehrere Detektorsignale, die nach einem Abfeuern mehrerer Lichtpulse die gleiche Verzögerungszeit aufweisen, kombiniert. Die Kombination kann auf verschiedene Weisen ausgeführt werden. Das kombinierte Signal kann dann für eine weitere Signalverarbeitung verwendet werden, die sich auf Interferenzdetektierung und/oder -minderung bezieht.
In der vorliegenden Offenbarung kann ein Detektorsignal als ein elektrisches Signal verstanden werden, das von einem oder mehreren lichtempfindlichen Detektoren erzeugt wird, wie beispielsweise Festkörper (solid state) -Photodetektoren (zum Beispiel Avalanche-Photodioden) oder Photovervielfacher. Die Detektorsignale können Rauschen, von einem oder mehreren Zielen reflektierte Lichtpulse, Interferenz oder eine Kombination derselben repräsentieren. Bei einigen beispielhaften Implementierungen ist die Detektorschaltung ausgebildet, um das erste und das zumindest eine zweite Detektorsignal als entsprechende Analog-zu-Digital gewandelte Abtastwerte zu erzeugen.
Bei einigen beispielhaften Implementierungen ist die Prozessorschaltung ausgebildet um, basierend auf dem kombinierten Signal, zu verifizieren, ob das erste und das zumindest eine zweite Detektorsignal den jeweiligen Reflexionen des ersten und des zumindest einen zweiten Lichtpulses von einem Ziel entsprechen. Anders ausgedrückt kann der Prozessor ausgebildet sein, um zu verifizieren, ob die Detektorsignale Zielreflexionen repräsentieren oder nicht. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann die Signalkombination für Interferenzdetektierung und/oder -minderung verwendet werden.
Bei einigen beispielhaften Implementierungen ist die Prozessorschaltung ausgebildet, um das erste und das zumindest eine zweite Detektorsignal zu tiefpassfiltern, um das kombinierte Signal zu erzeugen. Bei einem Beispiel kann die Tiefpassfilteroperation einer Mittelwertbildungsoperation entsprechen und die Prozessorschaltung kann ausgebildet sein, um einen Mittelwert des ersten und des zumindest einen zweiten Detektorsignals als das kombinierte Signal zu berechnen. Da eine Mittelwertbildung eine Tiefpassoperation ist, kann sie individuelle Interferenzpulse mindern.
Bei einigen beispielhaften Implementierungen ist die Prozessorschaltung ausgebildet, um ein Minimum des ersten und des zumindest einen zweiten Detektorsignals als das kombinierte Signal zu berechnen. Hier entspricht die Kombination der Mehrzahl von Detektorsignalen der Bestimmung von deren Minimalwert. Dies ist eine nichtlineare Operation und kann als solche in der Lage sein, die Interferenz vollständig zu beseitigen. Als ein positiver Nebeneffekt kann sie auch Rauschen unterdrücken, da für jeden Abtastwert nur der minimale Rauschbeitrag gewählt ist.
Bei einigen beispielhaften Implementierungen ist die Prozessorschaltung ausgebildet, um einen Medianwert des ersten und des zumindest einen zweiten Detektorsignals als das kombinierte Signal zu berechnen. Ein Bestimmen des Medianwerts ist auch eine nichtlineare Operation und kann in einigen Szenarien sicherer sein als das Minimum.
Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass, zusätzlich oder alternativ zu den genannten Operationen/Kombinationen auch andere Arten von Kombinationen der Detektorsignale in dem Puls-Sättigungsbereich machbar sein können, um Interferenz zu mindern.
Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt auch, dass Detektorsignale, die mehr als einer Verzögerungszeit nach einer Emission eines jeweiligen Lichtpulses entsprechen, ausgewertet werden können. Somit kann die Detektorschaltung ferner ausgebildet sein, um ein drittes Detektorsignal an einer zweiten Verzögerungszeit nach der Emission eines ersten Lichtpulses zu erzeugen, und um zumindest ein viertes Detektorsignal bei der zweiten Verzögerungszeit nach der Emission des zweiten Lichtpulses zu erzeugen. Die Prozessorschaltung ist ferner ausgebildet, um ein kombiniertes Signal für die zweite Verzögerungszeit, basierend auf einer Kombination des dritten und des zumindest einen vierten Detektorsignals, zu erzeugen. Daher kann das gleiche wie für die erste Verzögerungszeit für zumindest eine zweite Verzögerungszeit durchgeführt werden, die unterschiedlich zu der ersten Verzögerungszeit ist. Auf diese Weise kann eine Signalkombination und daher eine Interferenzdetektierung und/oder -minderung für mehrere Verzögerungszeiten durchgeführt werden. Die Prozessorschaltung kann ausgebildet sein, um zu verifizieren, ob das dritte und das zumindest eine vierte Detektorsignal den jeweiligen Reflexionen des ersten und des zumindest einen zweiten Lichtpulses von einem Ziel entsprechen, basierend auf dem kombinierten Signal für die zweite Verzögerungszeit. Anders ausgedrückt kann die Prozessorschaltung ausgebildet sein, um zu verifizieren, ob die Detektorsignale, die der zweiten Verzögerungszeit entsprechen, Zielreflexionen repräsentieren oder nicht.
Bei einigen beispielhaften Implementierungen entspricht eine obere Grenze für die erste und/oder die zweite Verzögerungszeit einer Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Emissionen von Lichtpulsen. Die Lichtpulse können in die gleiche Richtung emittiert und/oder von dort empfangen werden. Daher ist ein Maximum des Abtastfensters nicht größer als die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lichtpulsemissionen (z.B. in die gleiche Richtung).
Bei einigen beispielhaften Implementierungen kann eine Anzahl von Lichtpulsen (die in die gleiche Richtung emittiert werden) ein Frame von Lichtpulsen sein. Die Detektorschaltung kann ausgebildet sein, um ein jeweiliges Detektorsignal bei jeder aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen Verzögerungszeiten nach der Emission eines ersten Lichtpulses des Frames zu erzeugen und um ein jeweiliges Detektorsignal bei jeder aus der Mehrzahl von unterschiedlichen Verzögerungszeiten nach der Emission eines zweiten Lichtpulses des Frames zu erzeugen. Eine Anzahl der unterschiedlichen Verzögerungszeiten kann zumindest 100 sein. Der Prozessor ist ausgebildet, um jeweilige kombinierte Signale für jede der Mehrzahl von unterschiedlichen Verzögerungszeiten basierend auf einer Kombination der jeweiligen Detektorsignale zu erzeugen. Somit kann die Kombination in zumindest 100 unterschiedlichen Verzögerungszeitintervallen ausgeführt werden, d.h. das Abtastfenster kann in zumindest 100 unterschiedliche Zeitintervalle unterteilt werden und für jedes der Zeitintervalle kann das Kombinieren ausgeführt werden.
Bei einigen beispielhaften Implementierungen ist der Prozessor ausgebildet, um eine erste Mehrzahl von Detektorsignalen zu kombinieren. Die erste Mehrzahl von Detektorsignalen umfasst das erste Detektorsignal und das zweite Detektorsignal. Jedes der ersten Mehrzahl von Detektorsignalen wird bei der ersten vorbestimmten Zeitverzögerung nach einer Emission eines jeweiligen Lichtpulses einer ersten Mehrzahl von emittierten Lichtpulsen erzeugt. Die erste Mehrzahl von emittierten Lichtpulsen umfasst den ersten Lichtpuls und den zweiten Lichtpuls. Eine Anzahl der ersten Mehrzahl von emittierten Lichtpulsen zum Erzeugen des kombinierten Signals kann in einem Bereich zwischen 2 und 64 sein, zum Beispiel.
Bei einigen beispielhaften Implementierungen sind alle der ersten Mehrzahl von emittierten Lichtpulsen Lichtpulse, die in eine erste Lichtpuls-Emissionsrichtung emittiert werden. Daher werden die emittierten Lichtpulse, auf denen die erste Mehrzahl von Detektorsignalen basiert, nur in diese Richtung übertragen.
Bei einigen beispielhaften Implementierungen basiert jedes der ersten Mehrzahl von Detektorsignalen auf Lichtsignalen, die von einer gleichen Empfangsrichtung empfangen werden.
Bei einigen beispielhaften Implementierungen basiert jedes der ersten Mehrzahl von Detektorsignalen auf Lichtsignalen, die von einer ersten Lichtempfangsrichtung und Lichtempfangsrichtungen benachbart zu der ersten Richtung empfangen werden. Auf diese Weise kann einfallendes Licht mit direktionaler Ausbreitung, detektiert von benachbarten Pixeln, zusammen gehandhabt werden. In diesem Fall basiert jedes der ersten Mehrzahl von Signalen auf einer Kombination von Signalen von mehreren Lichtdetektorpixeln, wobei die Signale der mehreren Lichtdetektorpixeln Licht entsprechen, das aus der ersten Lichtempfangsrichtung und Lichtempfangsrichtungen benachbart zu der ersten Lichtempfangsrichtung empfangen wird.
Bei einigen beispielhaften Implementierungen sind alle der ersten Mehrzahl von emittierten Lichtpulsen Lichtpulse, die in eine erste Lichtpuls-Emissionsrichtung und Lichtpuls-Emissionsrichtungen benachbart zu der ersten Lichtpuls-Emissionsrichtung emittiert werden. Auf diese Weise kann hinausgehendes Licht mit einer bestimmten direktionalen Ausbreitung zusammen gehandhabt werden.
In einigen beispielhaften Implementierungen wird die Mehrzahl von emittierten Lichtpulsen innerhalb eines einzigen Frames von Lichtpulsen übertragen, wobei der einzelne Frame ein Frame-Zeitintervall in dem Bereich zwischen 20 ms und 60 ms aufweist.
Bei einigen beispielhaften Implementierungen ist die Prozessorschaltung ausgebildet, um das Vorliegen eines Ziels zu detektieren, wenn eines oder mehrere aus einem Satz von vordefinierten Kriterien erfüllt sind. Beispielsweise kann die Prozessorschaltung ausgebildet sein, um das Vorliegen des Ziels zu detektieren, wenn eine Amplitude oder eine Leistung des kombinierten Signals eine vordefinierte Schwelle überschreitet.
Bei einigen beispielhaften Implementierungen kann die Prozessorschaltung ausgebildet sein, um das Vorliegen eines Störers basierend auf dem kombinierten Signal zu detektieren. Beispielsweise kann die Prozessorschaltung ausgebildet sein, um eine Messung einer Variation (wie beispielsweise einer Varianz oder Standardabweichung) zwischen dem ersten und dem zumindest einen zweiten Detektorsignal als das kombinierte Signal zu berechnen. Der Prozessor kann dann ausgebildet werden, um das Vorliegen eines Störers zu detektieren, wenn die Variation (z.B. Varianz oder Standardabweichung) eine vordefinierte Schwelle überschreitet.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein LIDAR-Sensor bereitgestellt, der eine Detektorschaltung umfasst, die ausgebildet ist, um einen ersten Detektorabtastwert bei einer ersten Verzögerungszeit nach einer Emission eines ersten Lichtpulses zu erzeugen und zumindest einen zweiten Detektorabtastwert bei der ersten Verzögerungszeit nach einer Emission von zumindest einem zweiten Lichtpuls zu erzeugen. Der LIDAR-Sensor umfasst auch eine Prozessorschaltung, die ausgebildet ist, um eine Variation zwischen dem ersten und dem zumindest einen zweiten Detektorabtastwert zu messen und das Vorliegen eines Störers zu detektieren, wenn die Variation eine vordefinierte Schwelle überschreitet.
Bei einigen beispielhaften Implementierungen ist die Prozessorschaltung ausgebildet, um die Standardabweichung und/oder die Varianz des ersten und des zumindest einen zweiten Detektorabtastwerts zu bestimmen.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein LIDAR-Sensor bereitgestellt, der eine Detektorschaltung umfasst, die ausgebildet ist, um einen ersten Detektorabtastwert bei einer ersten Verzögerungszeit nach einer Emission eines ersten Lichtpulses zu erzeugen und um zumindest einen zweiten Detektorabtastwert bei der ersten Verzögerungszeit nach einer Emission von zumindest einem zweiten Lichtpuls zu erzeugen. Der LIDAR-Sensor umfasst auch eine Prozessorschaltung, die ausgebildet ist, um eine Sequenz des ersten und des zumindest einen zweiten Detektorabtastwerts zu tiefpassfiltern, um ein tiefpassgefiltertes Signal für die erste Verzögerungszeit zu erzeugen, und um das Vorliegen eines Ziels zu detektieren, wenn das tiefpassgefilterte Signal eine vordefinierte Schwelle überschreitet.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein LIDAR-Verfahren ein Emittieren eines ersten Lichtpulses einer Sequenz von Lichtpulsen, ein Erzeugen eines ersten Detektorsignals bei einer ersten Verzögerungszeit nach dem Emittieren des ersten Lichtpulses, ein Emittieren von zumindest einem zweiten Lichtpuls der Sequenz von Lichtpulsen, ein Erzeugen eines zweiten Detektorsignals bei der ersten Verzögerungszeit nach dem Emittieren des zweiten Lichtpulses und ein Kombinieren des ersten und des zumindest einen zweiten Detektorsignals, um ein kombiniertes Signal für die erste Verzögerungszeit zu erzeugen.
Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung schlagen vor, eine Filterungsoperation über den Pulswiederholungsbereich durchzuführen, wodurch eine Kohärenz von Zielreflexionen und eine Inkohärenz von Interferenz in diesem Bereich ausgenutzt werden. So kann das typische Wesen der Interferenz verwendet werden, um sie potenziell vollständig zu mindern.
Figurenliste
Nachfolgend werden einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren ausschließlich beispielhaft und Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen gilt:

1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines beispielhaften LIDAR-Systems;
2 zeigt acht aufeinanderfolgende Detektorabtastwerte in einem Pixelkanal ohne Interferenz;
3 stellt ein beispielhaftes LIDAR-Interferenzszenario dar;
4 zeigt acht aufeinanderfolgende Detektorabtastwerte in einem Pixelkanal mit Interferenz;
5 zeigt ein Blockdiagramm eines LIDAR-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 zeigt unterschiedliche Detektorabtastwert-Kombinationsoptionen: Mittelwert (mean) (links), Minimum (minimum) (Mitte), Medianwert (median) (rechts); und
7 zeigt den Mittelwert von empfangenen Signalen ohne und mit Interferenz sowie die Varianz über N_p Pulse ohne und mit Interferenz.

Detaillierte Beschreibung
Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Beispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Regionen der Klarheit halber übertrieben sein.
Während sich weitere Beispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, sind dementsprechend einige bestimmte Beispiele derselben in den Figuren gezeigt und werden nachfolgend ausführlich beschrieben. Allerdings beschränkt diese detaillierte Beschreibung weitere Beispiele nicht auf die beschriebenen bestimmten Formen. Weitere Beispiele können alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken, die in den Schutzbereich der Offenbarung fallen. Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente, die bei einem Vergleich miteinander identisch oder in modifizierter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, die Elemente direkt, oder über ein oder mehrere Zwischenelemente verbunden oder gekoppelt sein können. Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B sowie A und B, sofern dies nicht explizit oder implizit anderweitig angegeben ist. Eine alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen ist „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“. Das Gleiche gilt entsprechend für Kombinationen von mehr als zwei Elementen.
Die Terminologie, die hierin zu dem Zweck des Beschreibens bestimmter Beispiele verwendet wird, soll nicht begrenzend für weitere Beispiele sein. Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch Pluralelemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Ähnlich, wenn eine Funktion nachfolgend als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Handlungen, Elemente und/oder Komponenten derselben präzisieren, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Handlungen, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben ausschließen.
Sofern nicht anderweitig definiert, werden alle Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) hierin in ihrer üblichen Bedeutung des Gebiets verwendet, zu dem Beispiele gehören.
LIDAR-Systeme sind aktive Fernerfassungssysteme, die genutzt werden können, um den Abstand von einer (Licht-)Quelle zu einem oder mehreren Zielen zu messen. Ein LIDAR verwendet einen Lichtstrahl, typischerweise einen Laserstrahl, um das eine oder die mehreren Ziele zu beleuchten. Im Vergleich zu anderen Lichtquellen kann sich ein Laserstrahl über weite Entfernungen ausbreiten, ohne deutlich breiter zu werden, und kann auf kleine Punkte fokussiert werden, um hohe optische Leistungsdichten über weite Entfernung zu liefern und eine feine Auflösung bereitzustellen. Der Laserstrahl kann derart moduliert werden, dass der übertragene Laserstrahl eine Reihe oder einen Frame von Pulsen umfasst. Der übertragene Laserstrahl kann auf ein Ziel gerichtet werden, das den übertragenen Laserstrahl reflektieren kann. Der vom Ziel reflektierte Laserstrahl kann gemessen werden, und die Laufzeit (ToF) von dem Zeitpunkt, an dem ein Puls des übertragenen Lichtstrahls von der Quelle übertragen wird, bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Puls bei einem Detektor nahe der Quelle oder an einem bekannten Ort ankommt, kann gemessen werden. Der Bereich von der Quelle zu dem Ziel kann dann beispielsweise durch r = c·t/2 bestimmt werden, wobei r der Bereich von der Quelle bis zum Ziel ist, c die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum ist und t die ToF des Pulses des Lichtstrahls von der Quelle zu dem Detektor ist.
1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines beispielhaften LIDAR-Systems 100. Das System 100 kann eine Scan-Plattform 110 umfassen, die verwendet werden kann, um den Laserstrahl in unterschiedliche Azimut- und/oder Elevationsrichtungen zu scannen. Die Scan-Plattform 110 kann eine Lichtquelle 120 und einen Sensor/Detektor 130 umfassen. Die Lichtquelle 120 kann einen Lichtstrahl 140 in Richtung eines Zielobjekts emittieren, das einen Teil des Lichtstrahls 140 als reflektierten Strahl 150 reflektieren kann. Der reflektierte Strahl 150 kann dann von dem Sensor/Detektor 130 gesammelt und detektiert werden.
Die Lichtquelle 120 kann eine optische Quelle umfassen, wie beispielsweise einen Laser, eine Laserdiode, einen Oberflächenemitter (VCSEL; vertical cavity surface-emitting laser), eine Leuchtdiode (LED; light-emitting diode) oder eine andere optische Quelle. Der Laser kann beispielsweise ein infrarotgepulster Faserlaser oder ein anderer modengekoppelter Laser mit einer Ausgabewellenlänge von beispielsweise 930-960 nm, 1030-1070 nm, etwa 1550 nm oder länger sein.
Der Sensor 130 kann einen lichtempfindlichen Detektor oder ein Array von Detektoren (auch manchmal als Pixel bezeichnet) umfassen, die jeweils eine funktionierende (empfindliche) Wellenlänge aufweisen, die mit der Wellenlänge der Lichtquelle 120 vergleichbar ist. Der Detektor kann ein Hochgeschwindigkeitsphotodetektor, z.B. eine PIN-Photodiode mit einer intrinsischen Region zwischen einer p-Typ-Halbleiterregion und einer n-Typ-Halbleiterregion, oder ein InGaAs Avalanche-Photodetektor (APD) sein. Bei einigen Systemen kann der Sensor 130 einen Silizium-Photo vervielfacher (SiPM; silicone photomultiplier)-Sensor umfassen.
Die Scan-Plattform 110 kann viele unterschiedliche Arten von Strahl-Scanmechanismen verwenden, z.B. eine rotierende Plattform, die von einem Motor angetrieben wird, eine mehrdimensionale mechanische Stufe, einen Galvogesteuerten Spiegel, einen mikroelektromechanischen (MEMS) Spiegel, der von Mikromotoren angetrieben wird, einen piezoelektrischen Übersetzer/Wandler, der piezoelektrisches Material wie beispielsweise eine Quarz- oder Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) -Keramik verwendet, einen elektromagnetischen Aktuator oder einen akustischen Aktuator. Die Scan-Plattform 110 kann eine Plattform ohne mechanische Bewegung irgendeiner Komponente sein, die beispielsweise eine Phasengesteuerte-Array-Technik verwendet, wobei Phasen von Laserstrahlen von Lasern in einem eindimensionalen (1-D) oder zweidimensionalen (2-D) Laser-Array moduliert werden können, um die Wellenfront eines überlagerten Laserstrahls zu verändern.
Wenn die Scan-Plattform 110 den Lichtstrahl 140 unter Verwendung irgendeines Strahl-Scan-Mechanismus, wie beispielsweise dem vorangehend beschriebenen Scan-Mechanismus, in unterschiedliche Richtungen richtet, kann der Lichtstrahl 140 während des Scannens unterschiedliche Ziele oder unterschiedliche Orte eines Zielobjekts beleuchten. Während des Scannens kann der reflektierte Strahl 150 von den unterschiedlichen Zielobjekten oder unterschiedlichen Orten des Ziels gesammelt und von dem Sensor 130 erfasst werden, um Detektorsignale zu erzeugen, die dann von einem Analysator oder einem Prozessor verwendet werden können, um die Charakteristika der Zielobjekte zu bestimmen, wie beispielsweise ihre Abstände von dem System 100 und ihre reflektierenden Eigenschaften, oder um ein Bild des gescannten Bereichs zu erzeugen. Wenn sich die Scan-Plattform 110 sich eine Runde dreht, kann das LIDAR-System 100 Messungen einer „Scheibe“ der umgebenden Umgebung durchführen.
Um ein dreidimensionales (3-D) Scannen der Umgebung zu erreichen, kann ein LIDAR-System entweder mehrere Sätze von Lasern/Detektoren oder einen 2D-Scan-Mechanismus verwenden, so dass das Gesamtsystem nicht nur in einer Ebene, wie in 1 gezeigt ist, sondern auch in einer Mehrzahl unterschiedlicher Ebenen scannen kann.
In einem nicht gestörten Betrieb emittiert die Lichtquelle 120 einen Laserpuls, der an einem Objekt in der Umgebung reflektiert wird und zu dem Sensor 130 zurückkehrt. Dort wird er empfangen und das resultierende Detektorsignal wird verarbeitet, um eine Schätzung der Entfernung zu dem Objekt in der Richtung zu erhalten, in die der Lichtpuls emittiert wurde. Wenn das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR; signal-to-noise ratio) groß genug ist, kann der Puls als ein Peak in dem Detektorsignal detektiert werden. Wenn jedoch ein anderer LIDAR-Sensor in derselben Umgebung vorliegt, könnte sein emittierter Laserstrahl den Sensor 130 direkt beleuchten und zu möglicherweise großen Pulsen in den Detektorsignalen führen, die nicht mit irgendwelchen bedeutenden Objektreflexionen verbunden sind. Daher können diese Pulse in dem empfangenen Signal zu sogenannten „Geisterzielen“ führen, d.h. Detektierungen von Objekten/Zielen, die nicht tatsächlich physisch in der Umgebung vorliegen. Solche Detektierungen können unbeabsichtigte Reaktionen des Sicherheitssystems in einem Fahrzeug verursachen, zum Beispiel Bremsen. Dies ist eindeutig sicherheitskritisch.
Da Automobil-LIDAR-Sensoren noch nicht weit verbreitet sind, sind Interferenzlösungen noch nicht öffentlich bekannt oder verfügbar. Einige allgemeine Detektierungs-/Minderungsverfahren können jedoch wie folgt charakterisiert werden:

Pulscodieren:
- Ein LIDAR-System kann eine Sequenz von Lichtpulsen emittieren, die kodiert ist. Die empfangenen Pulse können mit der bekannten Codesequenz korreliert werden, was zu einer Minderung von Interferenzpulsen führt, die die Pulssequenz nicht zeigen. Dieser Code kann auf die gesendete Pulssequenz angewendet werden, entweder in der Amplitude der Pulse (nicht wünschenswert, da eine Übertragung mit der maximalen Leistung erwünscht ist, um kein SNR zu verschwenden, auch eine Detektierung ist basierend auf der Amplitude schwierig), der Phase (schwer zu detektieren, da ein kohärenter Empfänger erforderlich wäre) oder der Zeitverzögerung der Pulse. Im Allgemeinen ist eine Erhöhung der Messzeit eine direkte Folge, die proportional zu der Länge des Codes ist. Die Codelänge führt auch direkt zu der Anzahl von unterschiedlichen Codesequenzen, d.h. der Anzahl der Sensoren, die eindeutig identifizierbar sind. Die größere Messzeit wird teilweise durch eine Verarbeitungsverstärkung kompensiert, die durch die Kombination der unterschiedlichen Pulse erreicht wird.
Zufällige Wartezeit zwischen Pulsen:
- Dies kann eine Wahrscheinlichkeit von Interferenz verringern und gleichzeitig die Implementierung erschweren.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung nehmen einen LIDAR-Sensor an, der für jedes Detektorpixel mehr als eines, typischerweise eine Sequenz oder einen Frame von N_p Signalen erwirbt, wobei jedes Signal einem zu einem bestimmten Zeitpunkt emittierten Lichtpuls entspricht. Dies ist in dem Detektor-Abtastwertdiagramm 200 von 2 dargestellt.
Eine erste Achse 210 des Detektor-Abtastwertdiagramms 200 stellt eine (Verzögerungs-)Zeit Δt nach einer Emission eines Lichtpulses von der Lichtquelle 120 bei Δt = 0 dar. Der Lichtpuls kann bei einigen Ausführungsbeispielen in eine bestimmte Azimut- und/oder Elevationsrichtung emittiert werden. Bei dem dargestellten Beispiel reicht die Verzögerungszeit von 0 ns bis etwa Δt_max = 850 ns. Δt = 0 entspricht der Emissionszeit der Lichtpulse. Δt_max entspricht einer maximalen Laufzeit, die mit einer maximalen Entfernung gemäß r_max = c· Δt_max/2 verknüpft ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die gewählte Zahl von Δt_max = 850 ns nur eine von vielen möglichen Zahlen ist. Die zeitliche Auflösung, d.h. die zeitliche Trennung benachbarter Abtastwerte auf der Verzögerungszeitachse 210, ist anwendungs- und/oder hardwarespezifisch. Beispielsweise kann die Verzögerungszeitachse 210 100 oder mehr Abtastwerte (oder zeitliche Bins) umfassen. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass die Anzahl der Abtastwerte oder Bins der Verzögerungszeitachse 210 die Abtastauflösung des Systems bestimmt. Je mehr diskrete Bins, desto feiner die Bereichsauflösung.
Eine zweite Achse 220 des Detektor-Abtastwertdiagramms 200 repräsentiert einen Lichtpulsindex. In dem dargestellten Beispiel weist ein Frame von aufeinanderfolgenden Lichtpulsen (z.B. in dieselbe Richtung emittiert) N_p = 8 Lichtpulse auf, die verarbeitet werden können, um das kombinierte Signal zu erhalten. Im Allgemeinen kann ein Frame von Lichtpulsen mehr oder weniger (zumindest zwei) Lichtpulse als das dargestellte Beispiel aufweisen, abhängig von der Anwendung und/oder der Umgebung des LIDAR-Systems. Zum Beispiel kann die Zahl N_p gemäß einigen Ausführungsbeispielen eine Zahl sein, die aus dem Bereich von 8 oder mehr, 16 oder mehr, 32 oder mehr oder 64 oder mehr ausgewählt wurde.
Eine dritte Achse 230 des Detektor-Abtastwertdiagramms 200 repräsentiert eine Amplitude oder Leistung der jeweiligen Detektorsignale.
Bei dem Beispiel eines scannenden LIDAR-Sensors mit einem schwingenden oder rotierenden Spiegel, um den Laserstrahl 140 zu steuern, können die N_p -Pulse eines Frames erworben werden, wenn der Spiegel an der gleichen jeweiligen Position für das entsprechende Detektorpixel ist. Dies kann getan werden, um das SNR durch Mitteln über die N_p-Detektorpulse zu verbessern. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung kann die Erfassung mehrerer Detektorpulse jedoch auch verwendet werden, um störende Lichtpulse zu detektieren und zu mindern. Bei Betrachtung von 2 zeigt sich, dass die detektierten Zielpeaks 240, die sich auf ein tatsächliches oder reales Ziel beziehen, einer ziemlich konstanten Verzögerungszeit zugeordnet sind, d.h. etwa zu dem gleichen Zeitindex (entsprechend der Round Trip-Distanz) vorliegen und ähnliche Amplituden über die N_p -Pulse aufweisen. Dabei wird angenommen, dass sich das Zielobjekt mit einer ausreichend niedrigen Geschwindigkeit bewegt, so dass seine zurückgelegte Entfernung über die N_p -Pulse die Bereichsauflösung des Systems nicht überschreitet. Bei dem dargestellten Beispiel sind die Zielpeaks 240 bei einer Verzögerungszeit von Δt ≈ 270 ns nach einer Emission eines entsprechenden Lichtpulses des Frames positioniert, was einer Entfernung von ca. 40 m von der Scan-Plattform 110 entspricht.
3 stellt schematisch ein Interferenz-Szenario dar. Wie in 3 gezeigt ist, feuert ein Laser 302 einen Laserstrahl 316 durch eine Linse 304 auf ein Ziel 308. Der Strahl 316 wird von dem Ziel 308 durch die Linse 306 auf ein Array von Pixeln 320 reflektiert. Wie in 3 gezeigt ist, erfassen die Pixel 320 jedoch ferner Interferenzstrahlen 314 und 318, die indirekt und direkt von anderen Quellen empfangen werden, z.B. von einem Objekt 310 (indirekter Störer) reflektiert oder von dem Fahrzeug 312 (direkter Störer) übertragen. Bei einigen Ausführungsbeispielen führen die Interferenzstrahlen 314 und 318 zu falschen Ergebnissen („Geisterzielen“) von dem LIDAR-System. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass 3 nicht maßstabsgetreu gezeichnet ist und dass bei anderen Ausführungsbeispielen die Operation der Lichtquelle, der Linsen, der Pixel und anderer Objekte unterschiedlich sein kann als in 3 gezeigt ist. Beispielsweise können die Linsen die Position der erfassten Objekte umkehren und ein Ether kann ein größeres Array von Pixeln sein als in 3 gezeigt ist. Ferner kann es bei einigen Ausführungsbeispielen mehr Pixel geben, als in 3 gezeigt ist.
Pulse eines störenden LIDAR-Systems werden höchstwahrscheinlich nicht mit dem Sensor synchronisiert, so dass entsprechende detektierte Geisterpulse an scheinbar zufälligen Positionen in den empfangenen Signalen erscheinen, was in dem beispielhaften Abtastwertdiagramm von 4 schematisch gezeigt ist. Hier sind einige individuell detektierten Geisterpulse 410-1, 410-2, 410-3 gezeigt, die Geisterzielen (Störern) bei unterschiedlichen Verzögerungszeiten und Pulsindexpositionen entsprechen.
Die vorliegende Offenbarung schlägt vor, die relative Kohärenz der objektbezogenen Pulse 240 über die Pulswiederholungen eines Puls-Frames auszunutzen. Jeglicher (lineare oder nichtlineare) tiefpassähnliche Filterbetrieb kann die Beiträge interferenzbezogener Pulse reduzieren, da sie Hochfrequenz-Störungen repräsentieren, wenn sie entlang der Pulswiederholungen betrachtet werden.
5 stellt schematisch einen LIDAR-Sensor 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
Der LIDAR-Sensor 500 umfasst eine lichtempfindliche Detektorschaltung 510, die ausgebildet ist, um eine Mehrzahl von Detektorsignalen auszugeben, umfassend ein erstes Detektorsignal 240-1 für eine erste Verzögerungszeit Δt1 nach einer Emission eines ersten Lichtpulses (z.B. Pulsindex 1) und um zumindest ein zweites Detektorsignal 240-2 für die gleiche erste Verzögerungszeit Δt1 nach einer Emission von zumindest einem zweiten Lichtpuls (z.B. Pulsindex 2) auszugeben. Der erste und zweite Lichtpuls können aufeinanderfolgende oder sogar nicht aufeinanderfolgende Lichtpulse von Pulswiederholungen innerhalb eines Puls-Frames sein. Das bedeutet, die Detektorsignale 240-1, 240-2 werden aus einer gleichen Richtung (z.B. durch ein gleiches Pixel) empfangen und entsprechen einem gleichen Verzögerungszeit-Bin Δt₁, befinden sich aber auf unterschiedlichen Pulsindizes entlang der Pulsindexachse (sind unterschiedlichen Lichtpulsübertragungen zugeordnet).
Bei einigen Ausführungsbeispielen können der erste Lichtpuls und der zumindest eine zweite Lichtpuls im Wesentlichen in die gleiche Richtung emittiert werden, z.B. während nachfolgenden Umdrehungen eines Scan-LIDARs. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind der erste Lichtpuls und der zumindest eine zweite Lichtpuls Lichtpulse, die im Wesentlichen aus einer gleichen Richtung empfangen werden.
Die Detektorschaltung 510 kann ein oder mehrere lichtempfindliche Pixel umfassen, die Licht in elektrische Signale umwandeln und die elektrischen Signale von dem analogen in den digitalen Bereich umwandeln. Somit können die Detektorsignale 240, 540 den digitalen Signalabtastwerten von einem oder mehreren Festkörper-Photodetektoren oder Photovervielfachern entsprechen.
Der LIDAR-Sensor 500 weist auch eine Prozessorschaltungsanordnung 520 auf, die ausgebildet ist, um ein kombiniertes Signal 522 für die erste Verzögerungszeit Δt₁, basierend auf einer Kombination des ersten und des zumindest einen zweiten Detektorsignals 240-1, 240-2, zu erzeugen. Das kombinierte Signal 522 kann auf verschiedene mögliche Arten erhalten werden, abhängig davon, ob eine Interferenzdetektierung oder Interferenzminderung erwünscht ist. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass gemäß einigen Ausführungsbeispielen mehr als zwei Detektorsignale pro Verzögerungszeit Δt kombiniert sind, wie beispielsweise N_p = 32, N_p = 64 oder N_p = 128.
Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass das Blockdiagramm 500 auch als ein Flussdiagramm eines entsprechenden LIDAR-Verfahrens interpretiert werden kann. In diesem Fall würde das Bezugszeichen 510 Schritte bezeichnen, bei denen ein erstes Detektorsignal bei einer ersten Verzögerungszeit nach einem Emittieren eines ersten Lichtpulses erzeugt wird, und ein zweites Detektorsignal bei der ersten Verzögerungszeit nach einem Emittieren eines zweiten Lichtpulses erzeugt wird. Bezugszeichen 520 würde dann einen Schritt eines Kombinierens des ersten und des zumindest einen zweiten Detektorsignals, um das kombinierte Signal 522 für die erste Verzögerungszeit zu berechnen, bezeichnen.
Das kombinierte Signal 522 kann für einige oder alle diskreten Verzögerungszeiten in dem Verzögerungszeitfenster, reichend von 0 bis Δt_max., erzeugt werden, und bewegt sich dabei durch alle möglichen diskreten Bereiche bis hin zum Maximalbereich. Zu diesem Zweck kann die Detektorschaltung 510 ausgebildet sein, um ein drittes Detektorsignal 540-1 bei einer zweiten Verzögerungszeit Δt₂ nach der Emission des ersten Lichtpulses (z.B. Pulsindex 1) zu erzeugen, und um zumindest ein viertes Detektorsignal 540-2 bei der zweiten Verzögerungszeit Δt₂ nach der Emission des zweiten Lichtpulses (z.B. Pulsindex 2) zu erzeugen. Die Prozessorschaltung 520 kann ausgebildet sein, um ein kombiniertes Signal 522 für die zweite Verzögerungszeit Δt₂, basierend auf einer Kombination des dritten und des zumindest einen vierten Detektorsignals, zu erzeugen. In dem dargestellten Beispiel repräsentieren die Detektorsignalabtastwerte 540-1 und 540-2 nur Rauschabtastwerte anstatt irgendwelchen nützlichen Reflexionen oder Interferenz.
Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass die Prozessorschaltung 520 ausgebildet sein kann, um ein jeweiliges kombiniertes Signal (kombiniert entlang Pulswiederholungsindex) für alle diskreten Verzögerungszeiten Δt in dem Verzögerungszeitfenster von 0 ns zu Δt_max zu erzeugen. Anders ausgedrückt, wenn ein Frame eine Mehrzahl von N_p Lichtpulsen (emittiert in dieselbe Richtung und/oder empfangen aus einer selben Richtung) umfasst, kann der Detektor 510 ausgebildet sein, um ein jeweiliges Detektorsignal bei jeder einer Mehrzahl von unterschiedlichen diskreten Verzögerungszeiten Δt nach der Emission eines ersten Lichtpulses (z.B. Pulsindex 1) des Frames zu erzeugen, und um ein jeweiliges Detektorsignal bei jeder der Mehrzahl von unterschiedlichen Verzögerungszeiten nach der Emission eines zweiten Lichtpulses (z.B. Pulsindex 2) des Frames zu erzeugen. Eine Anzahl von unterschiedlichen Verzögerungszeiten kann zumindest 100 sein. Der Prozessor 520 kann ausgebildet sein, um jeweilige kombinierte Signale für jede der Mehrzahl von unterschiedlichen Verzögerungszeiten basierend auf einer Kombination der jeweiligen N_p Detektorsignale zu erzeugen, die einer Verzögerungszeit Δt zugeordnet sind. Somit kann die Kombination entlang einer Pulswiederholung für zumindest 100 unterschiedliche Verzögerungszeitintervalle durchgeführt werden. Zu diesem Zweck kann das Abtast- oder Verzögerungszeitfenster [0; Δt_max.] in zumindest 100 unterschiedliche Zeitintervalle unterteilt werden und für jedes der Zeitintervalle kann das Kombinieren entlang der Pulsindexachse durchgeführt werden.
Bei einigen beispielhaften Implementierungen entspricht eine obere Grenze Δt_max für die erste Verzögerungszeit Δt₁ und/oder die zweite Verzögerungszeit Δt₂ einer Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Emissionen von Lichtpulsen innerhalb eines Puls-Frames. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass Δt_max von der Anwendung und der Implementierung des LIDAR-Systems abhängt. Beispielsweise kann sie von einer Rotationsfrequenz eines Scanspiegels abhängen.
Bei einigen beispielhaften Implementierungen ist der Prozessor 520 ausgebildet, um das erste und das zumindest eine zweite Detektorsignal 240-1, 240-2 (540-1, 540-2) zu tiefpassfiltern, um das kombinierte Signal 522 zu erzeugen. Bei einem Beispiel kann die Tiefpassfilteroperation einer Mittelwertbildungsoperation entsprechen und der Prozessor 520 kann ausgebildet sein, um einen arithmetischen Mittelwert des ersten und des zumindest einen zweiten Detektorsignals 240-1, 240-2 (540-1, 540-2) als das kombinierte Signal 522 zu berechnen. Diese Mittelwertbildungsoperation ist eine Tiefpassoperation und mindert die Interferenzpulse bis zu einem gewissen Grad. Ferner wird für Signale, die nicht durch Interferenz beeinflusst werden, das SNR auch durch diese Operation verbessert. Bei den entsprechenden Zeitpunkten der Interferenzpulse können immer noch einige verbleibende Beiträge der Interferenz vorliegen. Die Minderungsleistung (und im Allgemeinen die Mittelungsgewinn) hängt von N_p ab. Wenn der geschätzte Mittelwert für NDetektorsignalabtastwerte (x₁, ..., x_N) als µ̂_N bezeichnet wird, kann eine Online-Schätzung für den Mittelwert berechnet werden gemäß ${\hat{μ}}_{N} = {\hat{μ}}_{N - 1} + \frac{1}{N} (x_{N} - {\hat{μ}}_{N - 1}) .$
Zusätzlich oder alternativ kann der Prozessor 520 ausgebildet sein, um ein Minimum des ersten und des zumindest einen zweiten Detektorsignals 240-1, 240-2 als das kombinierte Signal zu berechnen. Somit kann die Kombination der Detektorsignale 240, 540 entlang der Pulswiederholung auch eine Bestimmung deren Minimalwerts min(x₁(Δt), ..., x_{N_p}(Δt)) sein. Dies ist eine nichtlineare Operation und ist als solche in der Lage, die Interferenz vollständig zu beseitigen. Als ein Nebeneffekt kann sie auch das Rauschen unterdrücken, da für jeden Abtastwert nur der minimale Rauschbeitrag gewählt ist. Da dies natürlich auch für das dem Ziel entsprechende Detektorsignal gilt, wird der Zielpeak auch auf das Minimum über die Pulse reduziert.
Zusätzlich oder alternativ kann der Prozessor 520 ausgebildet sein, um einen Medianwert des ersten und des zumindest einen zweiten Empfangssignals als das kombinierte Signal zu berechnen. Der Medianwert ist bekannt als der Mittelwert, der die größeren und kleineren Hälften eines Datensatzes (x₁(Δt), ..., x_{N_p}(Δt)) trennt. Ein Bestimmen des Medianwerts ist auch eine nichtlineare Operation, aber möglicherweise sicherer als das Minimum. Es wird erneut darauf hingewiesen, dass für eine Sequenz, die N_p Pulse umfasst, die vorangehenden Operationen (Filtern, Mittelwert, Minimum, Median etc.) auf alle N_p Detektorsignale anstatt nur auf das erste und zweite Detektorsignal angewendet werden können.
Ein Vergleich der unterschiedlichen Kombinationsoptionen (Mittelwert, Minimum und Median) ist in 6 dargestellt. Hier zeigt sich, dass die Berechnung des Detektorsignal-Minimums (mittlere Figur) entlang der Pulswiederholungsachse 220 zu einem im Vergleich zu dem Mittelwert (links) und dem Medianwert (rechts) ziemlich niedrigen Grundrauschen entlang der Zeitachse 210 führt. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass andere Filteroperationen angewendet werden können, um ein kombiniertes Signal, das tiefpass-gefilterte Charakteristika aufweist, zu erhalten.
Bei einigen beispielhaften Implementierungen kann der Prozessor 520 ausgebildet sein, um das Vorliegen eines Ziels zu detektieren, wenn eines oder mehrere aus einem Satz von vordefinierten Kriterien erfüllt sind. Beispielsweise kann der Prozessor ausgebildet sein, um das Vorliegen des Zielobjekts zu detektieren, wenn eine Amplitude des kombinierten 522 Signals einen vordefinierte Schwellenwert überschreitet. Bei den Beispielen von 6 könnte der Schwellenwert beispielsweise auf 1 gesetzt sein. In diesem Fall könnten zuverlässige Entscheidungen darüber getroffen werden, ob das kombinierte Signal ein Ziel anzeigt oder nicht. Alle drei Kombinationsoptionen würden das Ziel bei ca. Δt= 270 ns detektieren.
Andererseits kann der Prozessor 520 ausgebildet zusätzlich oder alternativ ausgebildet sein, um das Vorliegen eines Störers basierend auf dem kombinierten Signal zu detektieren. In diesem Fall können die Detektorsignale gemäß einem Interferenzdetektierungsschema entlang der Pulswiederholung kombiniert werden. Beispielsweise kann der Prozessor ausgebildet sein, um eine Messung einer Variation, wie beispielsweise der Varianz oder der Standardabweichung, zwischen dem ersten und dem zumindest einen zweiten Detektorsignal entlang der Pulswiederholungen als das kombinierte Signal 522 zu berechnen. 7 zeigt ein Diagramm umfassend die Mittelwerte µ(Δt) 710 entlang der Pulswiederholungen sowie die Detektorsignalvarianz var(Δt) 720 entlang der Pulswiederholungen. Es zeigt sich, dass var(Δt) als ein Indikator für Störer bei Δt = 100 ns, Δt = 580 ns und Δt = 700 ns verwendet werden kann, die basierend auf µ(Δt) kaum identifiziert werden können.
Somit können bei einigen beispielhaften Implementierungen N_p aufeinanderfolgende Pulse entlang der Pulswiederholungen für einen oder mehrere Pixel detektiert werden, um in der Lage zu sein, eine Interferenzdetektierung und/oder -minderung durchführen zu können. Ein Berechnen der Varianz entlang der Pulswiederholung erlaubt es, Interferenzpeaks zu detektieren. Um ein Speichern aller N_p Pulse für alle Verzögerungszeiten Δt zu speichern, kann stattdessen ein Online-Schätzer verwendet werden, um die Varianz zu schätzen. Ein Algorithmus für eine Online-Schätzung der Varianz σN² von N Abtastwerten unter Verwendung der Online-Mittelwertschätzung wäre $Definiere S_{N} = N σ_{N}^{2}$
$S_{N} - S_{N - 1} = \dots = (x_{N} - {\hat{μ}}_{N - 1}) (x_{N} - {\hat{μ}}_{N})$
$S_{N} = S_{N - 1} + (x_{N} - {\hat{μ}}_{N - 1}) (x_{N} - {\hat{μ}}_{N})$
Die Online-Schätzung für die Varianz kann berechnet werden gemäß $σ_{N}^{2} = \frac{S_{N}}{N} .$
Der Prozessor 520 kann dann ausgebildet werden, um das Vorliegen eines Störers zu detektieren, wenn die Varianz σ_N ² eine vordefinierte Schwelle überschreitet. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass diese Schwelle von der Anwendung und/oder der LIDAR-Umgebung abhängt.
Bisher wurde angenommen, dass sich ein Objekt, das einen reflektierten Puls verursacht, nicht mehr als die Bereichsauflösung innerhalb der Dauer eines Puls-Frames bewegt. Wenn sich das Objekt jedoch schneller bewegt, können die reflektierten Pulspeak-Orte in benachbarten Zeitbins entlang der Pulswiederholungen erscheinen. Um solche schnellen Zielbewegungen mit einer Geschwindigkeit von ν_max relativ zu dem LIDAR-System 500 zu berücksichtigen, kann ein maximal erlaubter Pulsabstand Δτ_max. auf der Zeitachse 210 definiert sein. Der maximal erlaubte Pulsabstand Δτ_max zeigt einen Bereich an, in dem detektierte Peaks eines selben Objekts über einen Puls-Frame verteilt sein dürfen. Wenn T_rep die Gesamtzeit für die Übertragung von N_p Pulsen (d.h. Frame-Zeitintervall) bezeichnet, dann kann Δτ_max bestimmt werden gemäß Δτ_max = 2/c·T_rep·ν_max. Wenn beispielsweise das Frame-Zeitintervall T_rep 40 ms ist und ν_max = 400 km/h (z.B. zwei sich mit jeweils 200 km/h nähernde Autos), wird berechnet, dass Δτ_max 30ns ist. Dies entspricht einer Änderung der Verzögerungszeiten der reflektierten Pulse um 30 ns auf der Zeitachse 210 innerhalb eines Frames. Nur Pulse außerhalb dieser Verzögerungsausbreitung von 30 ns können dann als Geisterziele identifiziert werden.
Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorher detaillierten Beispiele und Figuren erwähnt und beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein gleiches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das andere Beispiel zusätzlich einzuführen.
Beispiele können weiterhin ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Ausführen eines oder mehrerer der vorangehenden Verfahren aufweist, sein oder sich auf ein solches beziehen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder Prozessor ausgeführt wird. Schritte, Operationen oder Prozesse von verschiedenen, vorangehend beschriebenen Verfahren können durch programmierte Computer oder Prozessoren ausgeführt werden. Beispiele können auch Programmspeichervorrichtungen, z. B. Digitaldatenspeichermedien, abdecken, die maschinen-, prozessor- oder computerlesbar sind und maschinenausführbare, prozessorausführbare oder computerausführbare Programme von Anweisungen codieren. Die Anweisungen führen einige oder alle der Schritte der oben beschriebenen Verfahren aus oder verursachen deren Ausführung. Die Programmspeichervorrichtungen können z. B. Digitalspeicher, magnetische Speichermedien wie beispielsweise Magnetplatten und Magnetbänder, Festplattenlaufwerke oder optisch lesbare Digitaldatenspeichermedien umfassen oder sein. Weitere Beispiele können auch Computer, Prozessoren oder Steuereinheiten, die zum Ausführen der Schritte der oben beschriebenen Verfahren programmiert sind, oder (feld-)programmierbare Logik-Arrays ((F)PLAs = (Field) Programmable Logic Arrays) oder (feld-)programmierbare Gate-Arrays ((F)PGA = (Field) Programmable Gate Arrays), die zum Ausführen der Schritte der oben beschriebenen Verfahren programmiert sind, abdecken.
Durch die Beschreibung und Zeichnungen werden nur die Grundsätze der Offenbarung dargestellt. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele grundsätzlich ausdrücklich nur darstellenden Zwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen. Alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Beispiele der Offenbarung sowie konkrete Beispiele derselben sollen deren Entsprechungen umfassen.
Ein als „Mittel für...“ bezeichneter Funktionsblock, der eine bestimmte Funktion ausführt, kann sich auf eine Schaltung beziehen, die zum Durchführen einer bestimmten Funktion ausgebildet ist. Somit kann ein „Mittel für etwas“ als ein „Mittel ausgebildet für oder geeignet für etwas“ implementiert sein, z. B. eine Vorrichtung oder eine Schaltung, die ausgebildet ist für oder geeignet ist für die jeweilige Aufgabe.
Funktionen verschiedener in den Figuren gezeigter Elemente einschließlich jeder als „Mittel“, „Mittel zum Bereitstellen eines Signals“, „Mittel zum Erzeugen eines Signals“, etc. bezeichneter Funktionsblöcke können in Form dedizierter Hardware, z. B „eines Signalanbieters“, „einer Signalverarbeitungseinheit“, „eines Prozessors“, „einer Steuerung“ etc. sowie als Hardware fähig zum Ausführen von Software in Verbindung mit zugehöriger Software implementiert sein. Bei Bereitstellung durch einen Prozessor können die Funktionen durch einen einzelnen dedizierten Prozessor, durch einen einzelnen gemeinschaftlich verwendeten Prozessor oder durch eine Mehrzahl von individuellen Prozessoren bereitgestellt sein, von denen einige oder von denen alle gemeinschaftlich verwendet werden können. Allerdings ist der Begriff „Prozessor“ oder „Steuerung“ bei Weitem nicht auf ausschließlich zur Ausführung von Software fähige Hardware begrenzt, sondern kann Digitalsignalprozessor (DSP;Digital Signal Processor) -Hardware, Netzwerkprozessor, anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC; Application Specific Integrated Circuit), feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA; Field Programmable Gate Array), Nurlesespeicher (ROM; Read Only Memory) zum Speichern von Software, Direktzugriffsspeicher (RAM; Random Access Memory) und nichtflüchtigen Speicher (storage) umfassen. Sonstige Hardware, herkömmliche und/oder kundenspezifische, kann auch eingeschlossen sein.
Ein Blockdiagramm kann zum Beispiel ein detailliertes Schaltdiagramm darstellen, das die Grundsätze der Offenbarung implementiert. Auf ähnliche Weise können ein Flussdiagramm, ein Ablaufdiagramm, ein Zustandsübergangsdiagramm, ein Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse, Operationen oder Schritte repräsentieren, die zum Beispiel im Wesentlichen in computerlesbarem Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor explizit gezeigt ist. In der Beschreibung oder in den Patentansprüchen offenbarte Verfahren können durch eine Vorrichtung implementiert werden, die ein Mittel zum Ausführen eines jeden der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist.
Es versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Handlungen, Prozesse, Operationen, Schritte oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht explizit oder implizit anderweitig, z. B. aus technischen Gründen, angegeben ist. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Ferner kann bei einigen Beispielen ein einzelner Schritt, Funktion, Prozess oder Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen einschließen und/oder in dieselben aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.
Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier explizit vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.

Claims

Ein LIDAR-Sensor (500), umfassend: einen Detektor (510), der ausgebildet ist, zum Erzeugen eines ersten Detektorsignal-Abtastwerts (240-1) bei einer ersten Verzögerungszeit nach einer Emission eines ersten Lichtpulses; und zum Erzeugen von zumindest einem zweiten Detektorsignal-Abtastwert (240-2) bei der ersten Verzögerungszeit nach einer Emission von zumindest einem zweiten Lichtpuls; und einen Prozessor (520), der ausgebildet ist, zum Messen einer Variation zwischen dem ersten und dem zumindest einen zweiten Detektorsignal-Abtastwert, und zum Detektieren des Vorliegens eines Störers, wenn die Variation eine vordefinierte Schwelle überschreitet.
Der LIDAR-Sensor (500) gemäß Anspruch 1, wobei der Prozessor (520) ausgebildet ist, um ein kombiniertes Signal (522) für die erste Verzögerungszeit basierend auf einer Kombination des ersten und des zumindest einen zweiten Detektorsignal-Abtastwerts zu erzeugen.
Der LIDAR-Sensor (500) gemäß Anspruch 2, wobei der Prozessor (520) ausgebildet um, basierend auf dem kombinierten Signal (522) für die erste Verzögerungszeit zu verifizieren, ob der erste und der zumindest eine zweite Detektorsignal-Abtastwert den jeweiligen Reflexionen des ersten Lichtpulses und des zumindest einen zweiten Lichtpulses von einem Ziel entsprechen.
Der LIDAR-Sensor (500) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei der Detektor (510) ausgebildet ist, um einen dritten Detektorsignal-Abtastwert (540-1) bei einer zweiten Verzögerungszeit nach der Emission des ersten Lichtpulses zu erzeugen und zumindest einen vierten Detektorsignal-Abtastwert (540-2) bei der zweiten Verzögerungszeit nach der Emission des zweiten Lichtpulses zu erzeugen, und wobei der Prozessor (520) ausgebildet ist, um ein kombiniertes Signal für die zweite Verzögerungszeit basierend auf einer Kombination des dritten und des zumindest einen vierten Detektorsignal-Abtastwerts zu erzeugen.
Der LIDAR-Sensor (500) gemäß Anspruch 4, wobei der Prozessor (520) ausgebildet um, basierend auf dem kombinierten Signal für die zweite Verzögerungszeit zu verifizieren, ob der dritte und der zumindest eine vierte Detektorsignal-Abtastwert (540-1; 540-2) den jeweiligen Reflexionen des ersten und des zumindest einen zweiten Lichtpulses von einem Ziel entsprechen.
Der LIDAR-Sensor (500) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine obere Grenze für die erste und/oder die zweite Verzögerungszeit einer Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Emissionen von Lichtpulsen entspricht.
Der LIDAR-Sensor (500) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Prozessor (520) ausgebildet ist, um den ersten und den zumindest einen zweiten Detektorsignal-Abtastwert zu tiefpassfiltern, um das kombinierte Signal (522) zu erzeugen.
Der LIDAR-Sensor (500) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Prozessor (520) ausgebildet ist, um einen Mittelwert des ersten und des zumindest einen zweiten Detektorsignals als das kombinierte Signal zu berechnen.
Der LIDAR-Sensor (500) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei der Prozessor (520) ausgebildet ist, um ein Minimum des ersten und des zumindest einen zweiten Detektorsignals als das kombinierte Signal (522) zu berechnen.
Der LIDAR-Sensor (500) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei der Prozessor (520) ausgebildet ist, um einen Medianwert des ersten und des zumindest einen zweiten Detektorsignals als das kombinierte Signal zu berechnen.
Der LIDAR-Sensor (500) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei der Prozessor (520) ausgebildet ist, um das Vorliegen eines Ziels zu detektieren, wenn eines oder mehrere aus einem Satz von vordefinierten Kriterien erfüllt sind.
Der LIDAR-Sensor (500) gemäß Anspruch 11, wobei der Prozessor (520) ausgebildet ist, um das Vorliegen des Ziels zu detektieren, wenn eine Amplitude des kombinierten Signals (522) eine vordefinierte Schwelle überschreitet.
Der LIDAR-Sensor (500) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Prozessor (520) ausgebildet ist, um die Standardabweichung und/oder die Varianz des ersten und des zumindest einen zweiten Detektorsignal-Abtastwerts zu bestimmen.
Ein LIDAR-Verfahren, umfassend: Emittieren eines ersten Lichtpulses einer Sequenz von aufeinanderfolgenden Lichtpulsen; Erzeugen eines ersten Detektorsignals (240-1) bei einer ersten Verzögerungszeit nach einem Emittieren des ersten Lichtpulses; und Emittieren von zumindest einem zweiten Lichtpulses der Sequenz von aufeinanderfolgenden Lichtpulsen; Erzeugen eines zweiten Detektorsignals (240-1) bei der ersten Verzögerungszeit nach einem Emittieren des zweiten Lichtpulses; und Messen einer Variation zwischen dem ersten und dem zweiten Detektorsignal, und Detektieren des Vorliegens eines Störers, wenn die Variation eine vordefinierte Schwelle überschreitet.
Ein LIDAR-Sensor (500), umfassend: einen Detektor (510), der ausgebildet ist, um ein erstes Detektorsignal (240-1) bei einer ersten Verzögerungszeit nach einer Emission eines ersten Lichtpulses zu erzeugen, und um zumindest ein zweites Detektorsignal (240-2) bei der ersten Verzögerungszeit nach einer Emission von zumindest einem zweiten Lichtpuls zu erzeugen; und einen Prozessor (520), der ausgebildet ist, um ein Minimum des ersten und des zumindest einen zweiten Detektorsignals zu berechnen und ein Vorliegen eines Ziels zu detektieren, wenn eine Amplitude des Minimums eine vordefinierte Schwelle überschreitet.