DE102019202459A1

DE102019202459A1 - Lasermessvorrichtung zum Messen von Entfernungen und Verfahren zum Betreiben einer Lasermessvorrichtung zum Messen von Entfernungen

Info

Publication number: DE102019202459A1
Application number: DE102019202459.9A
Authority: DE
Inventors: Maik BEER; Olaf Schrey
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2020-08-27

Abstract

Offenbart ist eine Lasermessvorrichtung zum Messen von Entfernungen miteinem Pulslaser zum Aussenden von Laserpulsen;einer Photonendetektionseinrichtung mit wenigstens einer Detektionseinheit zum Detektieren von Photonen;einer Zeitmesseinrichtung zum Messen von Zeitspannen;einer Steuereinrichtung zur Steuerung von aufeinanderfolgenden Messvorgängen, bei denen jeweils ein Messwert für eine der Entfernungen erzeugt ist, wobei die Steuereinrichtung so ausgebildet ist,dass eine Anpassung eines Maximalwerts für eine Anzahl der Zeitspannen, welche während eines Messzyklus zur Erzeugung des Messwerts des jeweiligen Messvorgangs herangezogen sind, erfolgt, wobei zur Anpassung mehrere der vorher mittels der Zeitmesseinrichtung gemessenen Zeitspannen herangezogen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lasermessvorrichtung zum Messen von Entfernungen. Genauer betrifft die Erfindung eine Lasermessvorrichtung, welche auf der Basis eines Pulslaufzeitverfahrens arbeitet, um so Entfernungen berührungslos in hoher Geschwindigkeit zu erfassen. Dabei wird die Laufzeit eines Laserpulses, der von einer aktiven Strahlungsquelle emittiert und von einem Zielobjekt reflektiert wird, durch Detektion der Restintensität gemessen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Light Detection and Ranging (LIDAR).
Beim hier betrachteten direkten Verfahren wird die Laufzeit eines Laserpulses von der Emission über die Reflexion am Zielobjekt bis zur Detektion im Sensor mittels eines elektronischen Zeitmessers (z. B. Time-to-Digital-Converter, TDC) erfasst. Dabei wird die Zeitmessung mit der Emission eines kurzen Laserpulses gestartet und mit dem Empfang des reflektierten Pulses gestoppt [1]. Das Stoppen der Zeitmessung erfolgt dabei mit dem ersten Ereignis, welches nach dem Start durch den Sensor detektiert wird. Im Idealfall entspricht die gemessene Zeit der Lichtlaufzeit und kann über d = ct/2 direkt in die Entfernung zwischen der Lasermessvorrichtung und dem jeweiligen Zielobjekt umgerechnet werden.
Aufgrund dieser Vorgehensweise kann eine hohe Intensität des Hintergrundlichtes dazu führen, dass ein Ereignis, welches aus dem Hintergrundlicht resultiert, vor der Ankunft des reflektieren Laserpulses am Sensor detektiert wird und so eine fehlerhafte Messung erfolgt. Um solche Falschmessungen sowie statistische Schwankungen tolerieren zu können, werden in der Regel zunächst mehrere dieser Zeitmarken in einem Histogramm gesammelt, aus welchem anschließend unter Verwendung eines Algorithmus die tatsächliche Lichtlaufzeit ermittelt wird. Durch entsprechende Abschwächung der Sensitivität des Sensors kann die Rate der Hintergrundereignisse und folglich die Anzahl an Falschmessungen auf ein tolerierbares Niveau reduziert werden. Eine geringere Sensitivität des Sensors senkt jedoch auch die Wahrscheinlichkeit den reflektierten Laserpuls zu detektieren, was insbesondere bei hohen Distanzen eine zuverlässige und präzise Messung erschwert.
Mit zunehmender Distanz bzw. zunehmender Hintergrundintensität steigt die Wahrscheinlichkeit, vom Hintergrund ausgesandte Photonen anstelle der gesuchten am Messobjekt reflektierten Photonen zu detektieren, was eine Abnahme der Messgenauigkeit zur Folge hat. Um die Anzahl tolerierbarer Hintergrundphotonen und damit die Hintergrundresistenz zu erhöhen, wird nicht nur die Ankunftszeit des ersten Photons innerhalb eines Messzyklus erfasst und festgehalten [2], sondern die Ankunftszeiten mehrerer Photonen. Damit ist es möglich, trotz der Detektion eines Hintergrundphotons den Laserpuls zu detektieren und die Laufzeit bzw. Distanz korrekt zu ermitteln.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bekannte Lasermessevorrichtungen und Verfahren zu deren Betrieb zu verbessern.
In einem Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch eine Lasermessvorrichtung zum Messen von Entfernungen mit
einem Pulslaser zum Aussenden von Laserpulsen;
einer Photonendetektionseinrichtung mit wenigstens einer Detektionseinheit zum Detektieren von Photonen;
einer Zeitmesseinrichtung zum Messen von Zeitspannen von einem Aussenden eines der Laserpulse bis zum Detektieren von einem der Photonen mittels der Detektionseinheit; und
einer Steuereinrichtung zur Steuerung von aufeinanderfolgenden Messvorgängen, bei denen jeweils ein Messwert für eine der Entfernungen erzeugt ist, wobei die Steuereinrichtung so ausgebildet ist,
dass während der Messvorgänge jeweils eine Vielzahl von Messzyklen durchgeführt ist,
dass zu Beginn der Messzyklen jeweils mit dem Pulslaser einer der Laserpulse ausgesandt ist,
dass während der Messzyklen mittels der Zeitmesseinrichtung für eine Vielzahl der Photonen, welche während des jeweiligen Messzyklus detektiert sind, jeweils eine der Zeitspannen gemessen ist,
dass die während mehrerer der Messzyklen eines der Messvorgänge mittels der Zeitmesseinrichtung gemessenen Zeitspannen zur Erzeugung des Messwerts des jeweiligen Messvorgangs herangezogen sind, und
dass eine Anpassung eines Maximalwerts für eine Anzahl der Zeitspannen, welche während eines der Messzyklen zur Erzeugung des Messwerts des jeweiligen Messvorgangs herangezogen sind, erfolgt, wobei zur Anpassung mehrere der vorher mittels der Zeitmesseinrichtung gemessenen Zeitspannen herangezogen sind.
Indem für die Anzahl der Zeitspannen, welche während eines der Messzyklen zur Erzeugung des Messwerts des jeweiligen Messvorgang herangezogen sind, ein Maximalwerts variabel an die Messbedingungen angepasst wird, kann das Datenaufkommen bei der Entfernungsmessung signifikant verringert werden, ohne dass hierdurch die Genauigkeit der Entfernungsmessung verringert wird. In vielen Fällen kann so auch die Geschwindigkeit der Entfernungsmessung erhöht werden. Die Messbedingungen, von welchen die Anpassung des Maximalwerts abhängt, können dabei durch Auswertung von zuvor gemessenen Zeitspannen abgeschätzt werden.
Insbesondere kann der Maximalwert bei kürzeren früher gemessenen Zeitspannen, also bei kurzen Messdistanzen, verringert und bei längeren früher gemessenen Zeitspannen, also bei großen Messdistanzen, erhöht werden. Ebenso kann aus den früher gemessenen Zeitspannen der Anteil der Hintergrundphotonen an den detektierten Photonen abgeleitet werden. Dabei kann bei einem großen Anteil von Hintergrundphotonen der Maximalwert erhöht und bei einem geringen Anteil von Hintergrundphotonen der Maximalwert erniedrigt werden.
Mögliche Anwendungsgebiete für die erfindungsgemäße Lasermessvorrichtung sind: Fahrassistenzsysteme, autonome Fahrzeuge, Sicherheitsüberwachungseinrichtungen und medizintechnische Geräte.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung so ausgebildet, dass die Anpassung des Maximalwertes nach einem Abschluss der Messzyklen eines der Messvorgänge erfolgt, wobei die während der Messzyklen des jeweiligen Messvorgangs gemessenen Zeitspannen zur Anpassung des Maximalwertes und zur Erzeugung des Messwerts des jeweiligen Messvorgangs herangezogen sind. In diesem Fall erfolgt die Anpassung des Maximalwerts jeweils am Ende eines der Messvorgänge und wird somit für den jeweils nächsten Messvorgang wirksam.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung so ausgebildet, dass die Anpassung des Maximalwertes nach einem Abschluss eines Teils der Messzyklen eines der Messvorgänge erfolgt, wobei die während des Teils der Messzyklen des jeweiligen Messvorgangs gemessenen Zeitspannen zur Anpassung des Maximalwertes herangezogen sind. In diesem Fall erfolgt die Anpassung des Maximalwerts jeweils während des Messvorgangs, so dass er sich auch auf die Erzeugung des Messwerts des jeweiligen Messvorgangs auswirkt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Maximalwert stets aktuell ist. Dabei ist festzustellen, dass der Maximalwert während eines Messvorgangs auch mehrfach, jeweils nach einem Teil der Messzyklen, angepasst werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung so ausgebildet, dass ausschließlich die nach dem Abschluss des Teils der Messzyklen des jeweiligen Messvorgangs gemessenen Zeitspannen zur Erzeugung des Messwerts des jeweiligen Messvorgangs herangezogen sind. Hierdurch kann das Datenaufkommen weiter gesenkt werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung so ausgebildet, dass sowohl die nach dem Abschluss des Teils der Messzyklen des jeweiligen Messvorgangs gemessenen Zeitspannen als auch die vor dem Abschluss des Teils der Messzyklen des jeweiligen Messvorgangs gemessenen Zeitspannen zur Erzeugung des Messwerts des jeweiligen Messvorgangs herangezogen sind. Hierdurch kann die Anzahl der je Messvorgang durchgeführt Messzyklen verringert werden, so dass der Messvorgang beschleunigt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung so ausgebildet, dass die Anpassung des Maximalwertes in Abhängigkeit von einer Varianz der zur Anpassung des Maximalwertes herangezogenen gemessenen Zeitspannen erfolgt. Die Varianz der gemessenen Zeitspannen ist umso höher, je größer der Anteil der Hintergrundphotonen an den insgesamt detektierten Photonen ist.
Folglich ist es sinnvoll, den Maximalwert zu senken, wenn die Varianz sinkt, und umgekehrt, den Maximalwert zu erhöhen, wenn die Varianz steigt.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist Steuereinrichtung so ausgebildet, dass eine Verteilungsdichtefunktion für die zur Anpassung herangezogenen gemessenen Zeitspannen gebildet ist, und dass die Anpassung des Maximalwertes in Abhängigkeit von einem Verhältnis eines Maximums der Verteilungsdichtefunktion und eines Mittelwerts der Verteilungsdichtefunktion erfolgt. Wenn die Verteilungsdichtefunktion ein ausgeprägtes Maximum aufweist, weist dieses auf einen geringen Anteil der Hintergrundphotonen an den insgesamt detektierten Photonen hin. Wenn also das Verhältnis größer wird, kann der Maximalwert gesenkt werden, und wenn das Verhältnis kleiner wird, kann der Maximalwert erhöht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Detektionseinheit eine Einzelphoton-Avalanche-Diode. Einzelphoton-Avalanche Dioden (englisch: single-photon avalanche diode, abgekürzt: SPAD) sind Avalanche Photodioden, die über ihrer Durchbruchspannung betrieben werden. In diesem sogenannten Geiger-Bereich reicht bereits ein einzelnes Photon aus, welches im aktiven Bereich der Diode absorbiert wird und einen freien Ladungsträger generiert, um zum Durchbruch der Diode und damit zu einem makroskopischen Stromfluss durch die Diode zu führen. Einzelphoton-Avalanche Dioden ermöglichen so die Detektion einzelner Photonen. Grundsätzlich kann jede Detektionseinheit ein oder mehrere Einzelphoton-Avalanche Dioden aufweisen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Photonendetektionseinrichtung ein CMOS-Sensor mit einer Vielzahl von Detektionseinheiten, welche zweidimensional angeordnet sind,
wobei die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, dass bei einem der Messvorgänge mittels jeder der Detektionseinheiten jeweils ein Messwert für eine der der jeweiligen Detektionseinheit zugeordneten Entfernungen erzeugt ist,
wobei bei jeder der Detektionseinheiten die während mehrerer der Messzyklen eines der Messvorgänge mittels der jeweiligen Detektionseinheit gemessenen Zeitspannen zur Erzeugung des Messwerts der jeweiligen Detektionseinheit des jeweiligen Messvorgangs herangezogen sind, und
wobei bei jeder der Detektionseinheiten eine Anpassung eines der jeweiligen Detektionseinheit zugeordneten Maximalwerts für eine Anzahl der Zeitspannen, welche während eines der Messzyklen mittels der jeweiligen Detektionseinheit gemessen sind, erfolgt, wobei zur Anpassung mehrere der vorher mittels der jeweiligen Detektionseinheit gemessenen Zeitspannen herangezogen sind.
Eine als zweidimensionaler CMOS-Sensor ausgebildete Photonendetektionseinrichtung bietet effektive Möglichkeiten, Entfernungen in hoher Geschwindigkeit in Echtzeit aufzunehmen. Dies ist von großem Nutzen bei der Aufnahme von dreidimensionalen Distanzbildern in zeitkritischen Systemen.
Dabei ist vorgesehen, dass bei jeder Detektionseinheit des CMOS-Sensors nach dem Aussenden eines der Lichtpulse, Zeitspannen bis zum Eintreffen von Photonen gemessen werden, wobei während eines Messvorgangs die Zeitspannen einer jeden Detektionseinheit zur Erzeugung jeweils eines Messwertes separat ausgewertet werden. Es wird also während eines der Messvorgänge für jede Detektionseinheit ein Messwert erzeugt. Dabei ist vorgesehen, dass für jede Detektionseinheit jeweils ein Maximalwert spezifisch für die Detektionseinheit angepasst wird. Hierdurch wird dem Umstand Rechnung getragen, dass unterschiedliche Detektionseinheiten des CMOS-Sensors während eines Messvorgangs nicht notwendigerweise im selben Entfernungsbereich messen. Ebenso kann so berücksichtigt werden, dass der Anteil der Hintergrundphotonen an den detektierten Photonen während eines Messvorgangs bei unterschiedlichen Detektionseinheiten unterschiedlich sein kann.
In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Lasermessvorrichtung zum Messen von Entfernungen, wobei die Lasermessvorrichtung einen Pulslaser zum Aussenden von Laserpulsen, eine Photonendetektionseinrichtung mit wenigstens einer Detektionseinheit zum Detektieren von Photonen, eine Zeitmesseinrichtung zum Messen von Zeitspannen von einem Aussenden eines der Laserpulse bis zum Detektieren von einem der Photonen mittels der Detektionseinheit und eine Steuereinrichtung zur Steuerung von aufeinanderfolgenden Messvorgängen, bei denen jeweils ein Messwert für eine der Entfernungen erzeugt wird, umfasst, wobei, gesteuert durch die Steuereinrichtung, während der Messvorgänge jeweils eine Vielzahl von Messzyklen durchgeführt wird,
wobei, gesteuert durch die Steuereinrichtung, zu Beginn der Messzyklen jeweils mit dem Pulslaser einer der Laserpulse ausgesandt wird,
wobei, gesteuert durch die Steuereinrichtung, während der Messzyklen mittels der Zeitmesseinrichtung für eine Vielzahl der Photonen, welche während des jeweiligen Messzyklus detektiert sind, jeweils eine der Zeitspannen gemessen wird,
wobei, gesteuert durch die Steuereinrichtung, die während mehrerer der Messzyklen eines der Messvorgänge mittels der Zeitmesseinrichtung gemessenen Zeitspannen zur Erzeugung des Messwerts des jeweiligen Messvorgangs herangezogen werden, und
wobei, gesteuert durch die Steuereinrichtung, eine Anpassung eines Maximalwerts für eine Anzahl der Zeitspannen, welche während eines der Messzyklen zur Erzeugung des Messwerts des jeweiligen Messvorgangs herangezogen sind, erfolgt, wobei zur Anpassung mehrere der vorher mittels der Zeitmesseinrichtung gemessenen Zeitspannen herangezogen werden.
In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Computerprogramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn es auf einem Computer oder Prozessor ausgeführt wird.
Im Folgenden werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel einer Lasermessvorrichtung in einer schematischen Blockdarstellung;
2 eine beispielhafte Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion für die erste Detektion eines Photons für verschiedene Pulslaufzeiten;
3 eine beispielhafte schematische Darstellung eines Histogramms von detektierten Photonen;
4 eine beispielhafte Illustration der detektierten Photonen bei einer Einfachdetektion in einem Messzyklus und bei einer Mehrfachdetektion in einem Messzyklus;
5 beispielhafte berechnete Wahrscheinlichkeitsdichten der Photonendetektion für verschiedene Ereignistiefen;
6 beispielhafte berechnete Signal-Rausch-Verhältnisse für verschiedene Ereignistiefen;
7 eine beispielhafte Darstellung eines Messzyklus mit einer Mehrfachdetektion;
8 beispielhafte simulierte Erfolgswahrscheinlichkeiten der Laufzeitmessung für verschiedene Ereignistiefen;
9 ein erstes Beispiel für einen Messvorgang mit einer Anpassung eines Maximalwerts für eine Anzahl der Zeitspannen, welche bei der Erzeugung eines Messwerts berücksichtigt werden;
10 ein zweites Beispiel für einen Messvorgang mit einer Anpassung eines Maximalwerts für eine Anzahl der Zeitspannen, welche bei der Erzeugung eines Messwerts berücksichtigt werden;
11 eine schematische Darstellung einer als CMOS Sensor ausgebildeten Photonendetektionseinrichtung mit zweidimensional angeordneten Detektionseinheiten; und
12 ein beispielhaftes Blockschaltbild einer Zeitmesseinrichtung für bis zu drei detektierten Photonen je Messzyklus.

In der folgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele mit einer Vielzahl von Merkmalen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben, um ein besseres Verständnis der Erfindung zu vermitteln. Es ist jedoch festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung auch unter Auslassung einzelner der beschriebenen Merkmale umgesetzt werden kann. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die in verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigten Merkmale auch in anderer Weise kombinierbar sind, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist oder zu Widersprüchen führen würde.
Gleiche oder gleichartige Elemente oder Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktion sind im Folgenden mit gleichen oder gleichartigen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Lasermessvorrichtung 1 in einer schematischen Blockdarstellung. Die Lasermessvorrichtung umfasst einen Pulslaser 2 zum Aussenden von Laserpulsen LP;
eine Photonendetektionseinrichtung 3 mit wenigstens einer Detektionseinheit 4 zum Detektieren von Photonen PH;
eine Zeitmesseinrichtung 5 zum Messen von Zeitspannen ZS von einem Aussenden eines der Laserpulse LP bis zum Detektieren von einem der Photonen PH mittels der Detektionseinheit 4; und
eine Steuereinrichtung 6 zur Steuerung von aufeinanderfolgenden Messvorgängen MV, bei denen jeweils ein Messwert MW für eine der Entfernungen erzeugt ist, wobei die Steuereinrichtung 6 so ausgebildet ist,
dass während der Messvorgänge MV jeweils eine Vielzahl von Messzyklen MZ durchgeführt ist,
dass zu Beginn der Messzyklen MZ jeweils mit dem Pulslaser 2 einer der Laserpulse LP ausgesandt ist,
dass während der Messzyklen MZ mittels der Zeitmesseinrichtung 5 für eine Vielzahl der Photonen PH, welche während des jeweiligen Messzyklus MZ detektiert sind, jeweils eine der Zeitspannen ZS gemessen ist,
dass die während mehrerer der Messzyklen MZ eines der Messvorgänge MV mittels
der Zeitmesseinrichtung 5 gemessenen Zeitspannen ZS zur Erzeugung des Messwerts MW des jeweiligen Messvorgangs MV herangezogen sind, und
dass eine Anpassung eines Maximalwerts MAX für eine Anzahl der Zeitspannen ZS, welche während eines der Messzyklen MZ zur Erzeugung des Messwerts MW des jeweiligen Messvorgangs MV herangezogen sind, erfolgt, wobei zur Anpassung mehrere der vorher mittels der Zeitmesseinrichtung 5 gemessenen Zeitspannen ZS herangezogen sind.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung 6 so ausgebildet, dass die Anpassung des Maximalwertes MAX in Abhängigkeit von einer Varianz der zur Anpassung des Maximalwertes MAX herangezogenen gemessenen Zeitspannen ZS erfolgt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung 6 so ausgebildet, dass eine Verteilungsdichtefunktion für die zur Anpassung herangezogenen gemessenen Zeitspannen ZS gebildet ist, und dass die Anpassung des Maximalwertes MAX in Abhängigkeit von einem Verhältnis eines Maximums der Verteilungsdichtefunktion und eines Mittelwerts der Verteilungsdichtefunktion erfolgt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Detektionseinheit 4 mindestens eine Einzelphoton-Avalanche-Diode.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Lasermessvorrichtung 1 zum Messen von Entfernungen, wobei die Lasermessvorrichtung 1 einen Pulslaser 2 zum Aussenden von Laserpulsen LP, eine Photonendetektionseinrichtung 3 mit wenigstens einer Detektionseinheit 4 zum Detektieren von Photonen PH, eine Zeitmesseinrichtung 5 zum Messen von Zeitspannen ZS von einem Aussenden eines der Laserpulse LP bis zum Detektieren von einem der Photonen PH mittels der Detektionseinheit 4 und eine Steuereinrichtung 6 zur Steuerung von aufeinanderfolgenden Messvorgängen MV, bei denen jeweils ein Messwert MW für eine der Entfernungen erzeugt wird, umfasst,
wobei, gesteuert durch die Steuereinrichtung 6, während der Messvorgänge MV jeweils eine Vielzahl von Messzyklen MZ durchgeführt wird,
wobei, gesteuert durch die Steuereinrichtung 6, zu Beginn der Messzyklen MZ jeweils mit dem Pulslaser 2 einer der Laserpulse LP ausgesandt wird,
wobei, gesteuert durch die Steuereinrichtung 6, während der Messzyklen MZ mittels der Zeitmesseinrichtung 5 für eine Vielzahl der Photonen PH, welche während des jeweiligen Messzyklus MZ detektiert sind, jeweils eine der Zeitspannen ZS gemessen wird,
wobei, gesteuert durch die Steuereinrichtung 6, die während mehrerer der Messzyklen MZ eines der Messvorgänge MV mittels der Zeitmesseinrichtung 5 gemessenen Zeitspannen ZS zur Erzeugung des Messwerts MW des jeweiligen Messvorgangs MV herangezogen werden, und
wobei, gesteuert durch die Steuereinrichtung 6, eine Anpassung eines Maximalwerts MAX für eine Anzahl der Zeitspannen ZS, welche während eines der Messzyklen MZ zur Erzeugung des Messwerts MW des jeweiligen Messvorgangs MV herangezogen sind, erfolgt, wobei zur Anpassung mehrere der vorher mittels der Zeitmesseinrichtung 5 gemessenen Zeitspannen ZS herangezogen werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft Erfindung ein Computerprogramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn es auf einem Computer oder Prozessor ausgeführt wird.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Steuereinrichtung 6 so ausgebildet, dass sie zu Beginn der Messzyklen MZ jeweils ein Pulssendesignal PS erzeugt und an dem Pulslaser 2 sowie an die Zeitmesseinrichtung 5 übermittelt. Daraufhin sendet der Pulslaser 2 einen Laserpuls LP aus. Wenn die Detektionseinheit 4 der Photonendetektionseinrichtung 3 ein Photon PH empfängt, erzeugt die Photonendetektionseinrichtung 3 ein Detektionssignal DS und übermittelt dieses an die Zeitmessereinrichtung 5. Aus dem Pulssendesignal PS und dem Detektionssignal DS ermittelt die Zeitmessereinrichtung 5 dann eine Zeitspanne ZS und übermittelt diese an die Steuereinrichtung 6. Sollten während des Messzyklus MZ weitere Photonen eintreffen, wird ein weiteres Detektionssignal DS ermittelt und daraus eine Zeitspanne ZS errechnet. Dies wird so lange fortgesetzt bis der Messzyklus MZ zeitlich beendet ist oder ist der Maximalwert MAX für die Anzahl der Zeitspannen ZS erreicht ist. Der Maximalwert MAX für die Anzahl der Zeitspannen ZS dabei dynamisch angepasst, wobei die Anpassung auf der Basis mehrerer vorher gemessener Zeitspannen ZS erfolgt. Die Anpassung wird weiter unten näher erläutert.
2 zeigt eine beispielhafte Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion WDF für die erste Detektion eines Photons PH für verschiedene Pulslaufzeiten. Im direkten laufzeitbasierten Verfahren zur Distanzmessung basierend auf der Detektion des jeweils ersten Ereignisses in jedem Messzyklus, ist die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion WDF (englisch: Probability Density Function, abgekürzt: PDF) des ersten detektierten Photons P(t), was auch als erstes Ereignis bezeichnet wird, gegeben durch $P (t) = R (t) (1 - \int_{0}^{t} P (t) d t)$
mit der zeitabhängigen Ereignisrate R(t). Unter der Annahme einer zeitinvarianten Ereignisrate R, was bei alleiniger Betrachtung des Hintergrundlichtes aufgrund der Kürze der Messdauer in guter Näherung zutrifft, ergibt sich P(t) gemäß einer Exponentialverteilung entsprechend $P (t) = R exp (- R t) .$
Bei zusätzlicher Berücksichtigung der Ereignisrate des reflektierten Laserpulses R_A ergibt sich die PDF zu $P (t) = {\begin{array}{l} R_{B} exp (- R_{B} t) & für 0 \leq t < T_{TOF} \\ R_{AB} exp (- R_{AB} (t - T_{TOF})) exp (- R_{B} T_{TOF}) & für T_{TOF} \leq t < T_{TOF} + T_{P} \\ R_{B} exp (- R_{B} t) exp (R_{A} T_{P}) & für T_{TOF} + T_{P} \leq t \end{array}$
mit der Ereignisrate des Hintergrundes R_B, der Laufzeit T_TOF, der Pulsweite T_P sowie R_AB = R_A + R_B. Dies führt dazu, dass mit zunehmender Messdistanz und Hintergrundintensität die Wahrscheinlichkeit, ein Ereignis, das dem Hintergrund entspringt, zu empfangen, zunimmt. Dementsprechend nimmt die Wahrscheinlichkeit ein Ereignis des reflektierten Laserpulses zu empfangen mit steigender Distanz ab. 2 zeigt die berechnete Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion WDF nach (3) für Ereignisraten des Hintergrundes und Laserpulses von je 10 MHz, einer Pulsweite von 16 ns und einer Laufzeit von 100 ns bzw. 200 ns. Hier zeigt sich, dass der resultierende Puls bei höherer Distanz niedriger ausfällt, was einer reduzierten Wahrscheinlichkeit für dessen Detektion entspricht.
3 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung eines Histogramms 7 von detektierten Photonen PH. Im direkten Verfahren zur Distanzmessung kann die Ankunftszeit des ersten empfangenen Ereignisses gemessen ab dem Zeitpunkt der Pulsemission über mehrere Messzyklen MZ in einem Histogramm 7 abgelegt werden, aus welchem anschließend durch eine geeignete Auswertevorschrift die tatsächliche Laufzeit ermittelt wird. Eine mögliche Variante der Auswertung ist eine Mittelwertfilterung des Histogramms 7, welche der Reduktion der Varianz der einzelnen Bins dient, mit einer anschließenden Maximalwertbestimmung, wobei die zeitliche Position des Maximums die gemessene Laufzeit repräsentiert. Zur Bestimmung der Erwartungswerte aller Bins des Histogramms wird die PDF P(t) betrachtet. Eine Integration dieser Funktion über den Zeitbereich des Bins multipliziert mit der Anzahl der aufsummierten Zeitwerte liefert den jeweiligen Erwartungswert des Bins. Auf Grundlage des Histogramms und unter der Annahme Poissonverteilter Zählwerte in den Bins lässt sich ein Maß für die Güte der Messung definieren.
3 zeigt schematisch das Histogramm 7 nach der Akkumulation von mehreren gemessenen Zeitwerten, welche in Zeitspannen ZS umgerechnet werden können. Dabei repräsentieren die weißen Bereiche der Bins die durch Hintergrundlicht verursachten Ereignisse, während Ereignisse des reflektierten und detektierten Laserpulses schraffiert dargestellt sind. Damit die Position des Pulses im Histogramm 7 zuverlässig bestimmt werden kann, muss der erste Bin nach der Ankunft des reflektierten Pulses einen höheren Wert aufweise als Bins, welche allein Hintergrund erfasst haben. Der Quotient aus dem pulsgenerierten Zählwert N_Puls und der Standardabweichung des gesamten Bins N_Puls + N_Hintergrund, welche entsprechend der Poisson-Verteilung durch die Wurzel des Erwartungswertes gegeben ist, liefert hierfür ein Maß. Dementsprechend wird das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) definiert als $S N R = \frac{N_{Puls}}{\sqrt{N_{Puls} + N_{Hintergrund}}}$
mit der Anzahl der gezählten Ereignisse aufgrund des Pulses N_Puls und des Hintergrundes N_Hintergrund. Da diese Zählwerte eine Funktion der Zeit sind und das Ziel der Datenauswertung in der Bestimmung der Pulsankunftszeit liegt, werden die Zählwerte zum Zeitpunkt der Pulsankunft, welche der Pulslaufzeit T_TOF entspricht, betrachtet. Legt man die exponentielle Verteilung nach (3) zu Grunde, folgt $\begin{array}{l} S N R = \sqrt{N_{Zyklus} T_{Bin}} \frac{P (T_{TOF}) I_{R_{A} \neq 0} - P (T_{TOF}) I_{R_{A} = 0}}{\sqrt{P (T_{TOF}) I_{R_{A} \neq 0}}} \\ = \sqrt{N_{Zyklus} T_{Bin} exp (- R_{B} T_{TOF})} \frac{R_{A}}{\sqrt{R_{A} + R_{B}}} \end{array}$
mit der Ereignisrate des reflektierten Laserpulses R_A sowie des Hintergrundlichtes R_B. Dabei zeigen sich zwei Faktoren, welche eine Abnahme des SNR, und damit der Güte der Messung, mit zunehmender Laufzeit T_TOF zur Folge haben. Der Faktor exp(-R_BT_TOF) ergibt sich aus der Exponentialverteilung der Wahrscheinlichkeitsdichte nach (3), welche eine Folge davon ist, dass nur ein Ereignis in jedem Messzyklus erfasst wird. Dieser ist von besonderem Interesse für die weitere Betrachtung. Der zweite Faktor ist die Abnahme der Intensität des reflektierten Laserpulses LP, welcher sich in einer Abnahme von R_A zeigt und im Weiteren nicht näher betrachtet wird. Das Signal-Rausch-Verhältnis dient dem Vergleich eines Messzyklus MZ mit Einfachdetektion mit einem Messzyklus MZ mit Mehrfachdetektion.
4 zeigt eine beispielhafte Illustration der detektierten Photonen PH bei einer Einfachdetektion in einem Messzyklus MZ1 und bei einer Mehrfachdetektion in einem Messzyklus MZ2. Durch die Detektion mehrerer Ereignisse innerhalb des Messzyklus MZ2 erhöht das vorgestellte Verfahren die Resistenz gegen Hintergrundlicht und erlaubt auf diese Weise eine zuverlässige Messung bei höherem Hintergrundlicht, da Photonen PH vom Hintergrund, welche zeitlich vor den Photonen PH des Laserpulses LP eintreffen, die Detektion der Photonen PH vom Laserpuls LP nicht verhindern.
Zur Illustration zeigt 4 links den Signalverlauf bei der Einfachdetektion. Hierbei ist die Detektion im Messzyklus MZ1 nach der Detektion eines vom Hintergrund stammenden Photons PH1 beendet, sodass die durch den Laserpuls LP erzeugten und vom Zielobjekt reflektierten Photonen PH2 und PH3 nicht erkannt werden. Beim Messzyklus MZ2 mit Mehrfachdetektion können, wie in 4 rechts gezeigt, die durch den Laserpuls LP erzeugten und vom Zielobjekt reflektierten Photonen PH2 und PH3 auch nach der Detektion des vom Hintergrund stammenden Photons PH1 erkannt werden. Gegenüber einer Absenkung der Sensorsensitivität wird durch das Verfahren die Intensität des Laserpulses LP nicht reduziert, womit höhere Reichweiten ermöglicht werden.
5 zeigt beispielhafte berechnete Wahrscheinlichkeitsdichtern der Photonendetektion für verschiedene Ereignistiefen.
Das vorgestellte Verfahren beruht auf dem bekannten direkten Verfahren zur Laufzeitbestimmung. Jedoch wird während eines Messzyklus MZ, welcher aus dem Aussenden eines Laserpulses LP und dem Empfangen der Photonen besteht, nicht nur die Ankunftszeit des ersten empfangen Photons - oder allgemein Ereignisses - erfasst, sondern es wird die Ankunftszeit mehrerer Ereignisse erfasst. Die genaue Anzahl der möglichen Ereignisse innerhalb eines Messzyklus MZ ist dabei zunächst unerheblich.
Zur Abschätzung der Leistungsfähigkeit des Verfahrens, wird im Weiteren das Signal-Rausch-Verhältnis nach (5) betrachtet. Dieses beruht auf der Anzahl der Ereignisse im Bins des Histogramms 7 zum Zeitpunkt der Pulsankunftszeit und lässt sich aus der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion WDF bestimmen. Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion WDF ist bei alleiniger Betrachtung des Hintergrundes, d.h. ohne reflektiertes Lasersignal, und unter Vernachlässigung der Totzeit gegeben durch die Summe der Erlang-Verteilung für k = 1, 2 ... N_Ph, wobei N_Ph die Anzahl der Ereignisdetektionen im Messzyklus darstellt, entsprechend $P_{Ph} (t) = \sum_{k = 1}^{N_{Ph}} \frac{R_{B}^{k} t^{k - 1}}{(k - 1)!} exp (R_{B} t)$
Die PDF nach (6) als Funktion der Zeit für eine Hintergrundereignisrate R_B von 10 MHz ist in 5 für verschiede Maximalwerte MAX für die Anzahl möglicher Detektionen dargestellt. Für einen Maximalwert von 1 ergibt sich die bekannte Exponentialverteilung. Mit steigendem Maximalwert erhöht sich der Bereich einer konstanten Dichte zu Beginn des Messzyklus MZ und gleichzeitig fällt die Kurve langsamer ab. Da der Wert der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion WDF zum Zeitpunkt der Pulsankunft eine direkte Auswirkung auf die Güte der Messung hat, lässt ein höherer Maximalwert MAX eine Verbesserung der Messung erwarten.
6 zeigt beispielhafte berechnete Signal-Rausch-Verhältnisse für verschiedene Ereignistiefen.
Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion WDF ist bei zusätzlicher Berücksichtigung der Photonenrate des reflektierten Laserpulses zur Bestimmung des Signal-Rausch-Verhältnisses nicht erforderlich. Stattdessen kann das Signal-Rausch-Verhältnis nach allgemein ausgedrückt werden durch $S N R = \sqrt{\frac{N_{Zyklus} T_{Bin} P_{Ph} (T_{TOF})}{R_{B}}} \frac{R_{A}}{\sqrt{R_{A} + R_{B}}}$
Der Faktor P_Ph(T_TOF)/R_B trägt der Reduktion der Detektionswahrscheinlichkeit eines Photons mit zunehmender Laufzeit Rechnung. Für N_Ph = 1 ist der Faktor entsprechend (5) gegeben durch exp(-R_BT_TOF). 6 zeigt das berechnete Signal-Rausch-Verhältnis für verschiedene N_Ph für eine Laufzeit von 250 ns. Hierbei zeigt sich für eine Ereignisrate von 10 MHz eine signifikante Zunahme des Signal-Rausch-Verhältnisses, was den Erwartungen aus 5 entspricht. Bei geringeren oder höheren Raten nähern sich die Kurven einander an, dies entspricht einer Verschiebung der Laufzeit in 5 und deckt sich somit ebenfalls mit den Erwartungen durch die sich annähernden Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen WDF.
Weiterhin verschiebt sich das Maximum des Signal-Rausch-Verhältnisses zu höheren Raten mit steigender Anzahl der möglichen Detektionen. Dementsprechend ist das betrachtete Konzept besonders für höhere Hintergrundintensitäten interessant. Ein weiterer Vorteil ist eine verbesserte Detektion von mehreren Signalpulsen, welche durch mehrfache oder teilweise Reflexion des Lasersignals entstehen können. Bei einer starken Reflexion an einem Objekt, welches sich weiter vorne in der Szene befindet und den Detektor auslöst, ist somit die Detektion eines zweiten, weiter entfernten Objektes möglich.
7 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines Messzyklus MZ mit einer Mehrfachdetektion. Die Anpassung des Maximalwertes MAX ist dabei vorerst nicht berücksichtigt. Das Ablaufdiagramm einer Lautzeitmessung basierend auf dem vorgestellten Verfahren ist in 7 dargestellt. Zum Beginn des Messzyklus wird zusammen mit dem Aussenden des Laserpulses LP die elektronische Zeitmesseinheit (TDC) gestartet. Die Zählvariable i, welche der Auswahl des Speicherblocks zum Speichern des Zeitstempels dient, wird auf eins gesetzt. Sobald ein Ereignis detektiert wird, wird die Ankunftszeit (d.h. der aktuelle Zeitwert der Zeitmesseinheit) im ersten Speicherelement abgelegt. Anschließend wird die Zählvariable i inkrementiert um den nächsten Speicherblock auszuwählen, sodass die Ankunftszeit des nächsten detektierten Ereignisses im zweiten Speicherblock abgelegt wird. Sind alle Speicherblöcke belegt (d.h. die Anzahl der detektierten Ereignisse entspricht der Anzahl der verfügbaren Speicherblöcke) oder ist das Ende des Messzeitfensters erreicht, wird die Messung beendet und die Speicherblöcke können ausgelesen werden.
Analog zum bekannten Verfahren mit nur einem detektierten Ereignis werden alle Zeitstempel eines Pixels über mehrere Messzyklen nach 4 in einem Histogramm abgelegt, aus welchem anschließend die Laufzeit des Lasersignals bestimmt und in die Distanz umgerechnet wird.
8 zeigt beispielhafte simulierte Erfolgswahrscheinlichkeiten der Laufzeitmessung für verschiedene Ereignistiefen. Gezeigt sind die Erfolgswahrscheinlichkeiten der Distanzmessung als Funktion der Ereignisrate des Hintergrundes. Dabei entspricht in diesem Beispiel die Erfolgswahrscheinlichkeit der Wahrscheinlichkeit, die Distanz mit einer maximalen Abweichung von 3 % zur wahren Distanz zu messen. Für die Darstellung wurde diese aus 100 Distanzmessungen, wobei für jede die Ankunftszeit der ersten N_Ph Photonen aus 400 Laserpulsen LP akkumuliert wurde, berechnet. Das Simulationsergebnis zeigt eine gute Übereinstimmung mit dem berechneten Signal-Rausch-Verhältnis aus 6 und bestätigt somit das Potential der Erfassung mehrerer Ereignisse innerhalb des Messzyklus MZ.
Die pauschale Erfassung mehrerer Photonen PH in jeder Detektionseinheit 4 einer Lasermessvorrichtung 1 führt zu einem erhöhten Datenaufkommen, da jedes Photon PH eine Zeitspanne ZS mit einer festen Datenlänge erzeugt. Folglich ist die erzeugte Datenmenge bei der Erfassung mehrerer Photonen PH direkt proportional zu Anzahl der detektierten Photonen PH. Ist die Wiederholungsrate der Erfassung der Zeitspannen ZS durch die Auslesegeschwindigkeit der Photonendetektionseinrichtung 3 limitiert, führt die Detektion mehrerer Photonen PH unmittelbar zu einer Reduktion der Messgeschwindigkeit. Dabei ist die Erfassung mehrerer Photonen PH nicht in jedem Fall vorteilhaft. Liegt die Dauer des emittierten Laserpulses LP unterhalb der Regenerationszeit der Zeitmessereinrichtung, d. h. es kann nur maximal ein Ereignis während dem Empfang des Laserpulses LP erfasst werden, führt die Erfassung mehrerer Photonen PH bei geringem Hintergrundlicht oder kurzen Distanzen zu keinem signifikanten Gütegewinn.
Die grundlegende Idee der adaptiven Anpassung des Maximalwerts MAX besteht daher darin, die maximale Anzahl der erfassten Photonen PH innerhalb der Messzyklen MZ, an die Messbedingungen anzupassen. Konkret kann der Maximalwerts MAX bei kurzen Distanzen oder geringem Hintergrundlicht reduziert werden, während er bei höheren Distanzen und hohem Hintergrundlicht erhöht wird. Die Anpassung der des Maximalwerts MAX kann dabei auf unterschiedliche Weisen erfolgen:
9 zeigt ein erstes Beispiel für einen Messvorgang mit einer Anpassung eines Maximalwerts MAX für eine Anzahl der Zeitspannen ZS, welche bei der Erzeugung eines Messwerts MW berücksichtigt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung 6 so ausgebildet, dass die Anpassung des Maximalwertes MAX nach einem Abschluss der Messzyklen MZ eines der Messvorgänge MV erfolgt, wobei die während der Messzyklen MZ des jeweiligen Messvorgangs MV gemessenen Zeitspannen ZS zur Anpassung des Maximalwertes MAX und zur Erzeugung des Messwerts MW des jeweiligen Messvorgangs MV herangezogen sind.
Hier erfolgt die Anpassung des Maximalwerts MAX nach jedem vollständigen Messvorgang MV, d. h. der Akkumulation aller Zeitwerte in den Histogrammen 7 der Detektionseinheiten 4, aus welchen im Anschluss die Laufzeiten bzw. Entfernungen für jede der Detektionseinheiten 4 bestimmt werden. In diesem Fall wird die Güte der Messung aus den vollständig gefüllten Histogrammen 7 bestimmt.
In 9 werden alle n + m Messzyklen MZ eines Messvorgangs MV mit identischem Maximalwert MAX durchgeführt und die gemessenen Zeitspannen ZS in einem Histogramm 7 abgelegt. Aus diesem Histogramm 7 erfolgt anschließend sowohl die Ermittlung der Pulslaufzeit, d. h. der Distanz, als auch der Güte der Messung. Basierend auf der ermittelten Güte wird der Maximalwert MAX, welcher beim nächsten Messvorgang MV zur Anwendung kommt, festgelegt und eingestellt.
10 zeigt ein zweites Beispiel für einen Messvorgang mit einer Anpassung eines Maximalwerts für eine Anzahl der Zeitspannen, welche bei der Erzeugung eines Messwerts berücksichtigt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung 6 so ausgebildet, dass die Anpassung des Maximalwertes MAX nach einem Abschluss eines Teils der Messzyklen MZ eines der Messvorgänge MV erfolgt, wobei die während des Teils der Messzyklen MZ des jeweiligen Messvorgangs MV gemessenen Zeitspannen ZS zur Anpassung des Maximalwertes MAX herangezogen sind.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung 6 so ausgebildet, dass ausschließlich die nach dem Abschluss des Teils der Messzyklen MZ des jeweiligen Messvorgangs MV gemessenen Zeitspannen ZS zur Erzeugung des Messwerts MW des jeweiligen Messvorgangs MV herangezogen sind.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung 6 so ausgebildet, dass sowohl die nach dem Abschluss des Teils der Messzyklen MZ des jeweiligen Messvorgangs MV gemessenen Zeitspannen ZS als auch die vor dem Abschluss des Teils der Messzyklen MZ des jeweiligen Messvorgangs MV gemessenen Zeitspannen ZS zur Erzeugung des Messwerts MW des jeweiligen Messvorgangs MV herangezogen sind.
In diesem Fall wird zunächst eine Teilmenge von n Messzyklen MZ der insgesamt n + m Messzyklen MZ mit einem zuvor festgelegten Maximalwert MAX durchgeführt, wobei die gemessenen Zeitspannen jeder der Detektionseinheiten 4 zur Bestimmung der Güte in ein separates Histogramm 7 gefüllt werden. Anschließend wird der Maximalwert MAX angepasst und die verbleibenden m Messzyklen MZ des Messvorgangs MV werden durchgeführt. Die n bzw. m Messzyklen MZ der beiden Teilmengen können dabei, je Detektionseinheit 4, in ein gemeinsames oder in zwei separate Histogramme abgelegt werden. Die Laufzeit bzw. Distanz wird anschließend für jede Detektionseinheit 4 aus dem jeweils der Detektionseinheit 4 zugeordneten gemeinsamen bzw. zweiten Histogramm 7 ermittelt.
In den Ausführungsbeispielen der 9 und 10 kann die Bestimmung der Güte aus einem voll- oder teilgefüllten Histogramm 7 auf verschiedene Weisen erfolgen: Eine Möglichkeit liegt in der Bestimmung der Varianz der Zeitspannen ZS. Bei einer hohen Güte der Messung werden die meisten Photonen PH bei der wahren Pulslaufzeit erfasst und die Varianz ist demzufolge gering. Dagegen sind die durch Hintergrundlicht generierten Photonen PH deutlich weiter gestreut, was zu einer höheren Varianz der Zeitspannen ZS führt. Eine zweite Möglichkeit besteht in der Verhältnisbildung zwischen dem Maximum des Histogramms 7 und dem Mittelwert. Bei einer hohen Güte der Messung ist ein deutliches Maximum im Histogramm 7 erkennbar, weshalb ein hoher Wert des Verhältnisses zu erwarten ist. Bei einer geringen Güte hingegen ist kein Maximum erkennbar und das Verhältnis strebt gegen eins. Generell sind weitere Varianten, welche die Form des Laserpulses, die Verteilung des Hintergrundlichtes im Histogramm oder die Helligkeit und Entfernung des Zielobjektes berücksichtigen, möglich.
Bei der Bildung der Histogramme 7 wird für jedes während eines Messzyklus erfassten Photon PH ein Speicherblock mit der breite der Zeitspanne benötigt. Um den Speicherbedarf zu reduzieren, kann die adaptive Anpassung des Maximalwerts MAX mit einer entsprechenden Speicherverwaltung ergänzt werden. Konkret teilen sich hierbei mehrere oder alle Detektionseinheiten 4 der Photonendetektionseinrichtung 3 einen gemeinsamen Speicher. Wird nun für eine Detektionseinheit 4 nur ein kleiner Maximalwert MAX benötigt, kann dieser Speicher von anderen Detektionseinheiten 4 genutzt werden, um einen größeren Maximalwert MAX zu realisieren.
Ein Beispiel hierzu: Zwei Detektionseinheiten 4 teilen sich insgesamt 10 Speicherblöcke mit der Breite der Zeitspannen ZS. Bei gleichen Bedingungen in beiden Detektionseinheiten 4 können nun jeweils fünf Zeitspannen ZS erfasst werden. Sind die Bedingungen in beiden Detektionseinheiten 4 jedoch unterschiedlich, sodass eine der Detektionseinheiten 4 bereits mit einem Maximalwert MAX von zwei ein zufriedenstellendes Messergebnis liefert, kann für die 2. Detektionseinheit 4 ein größerer Maximalwert MAX von bis zu acht angewendet werden um die Güte der Messung zu verbessern.
11 zeigt eine schematische Darstellung einer als CMOS Sensor ausgebildeten Photonendetektionseinrichtung mit zweidimensional angeordneten Detektionseinheiten.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Photonendetektionseinrichtung 3 ein CMOS-Sensor mit einer Vielzahl von Detektionseinheiten 4, welche zweidimensional angeordnet sind,
wobei die Steuereinrichtung 6 so ausgebildet ist, dass bei einem der Messvorgänge MV mittels jeder der Detektionseinheiten 4 jeweils ein Messwert MW für eine der der jeweiligen Detektionseinheit 4 zugeordneten Entfernungen erzeugt ist,
wobei bei jeder der Detektionseinheiten 4 die während mehrerer der Messzyklen MZ eines der Messvorgänge MV mittels der jeweiligen Detektionseinheit 4 gemessenen Zeitspannen ZS zur Erzeugung des Messwerts MW der jeweiligen Detektionseinheit 4 des jeweiligen Messvorgangs MV herangezogen sind, und
wobei bei jeder der Detektionseinheiten 4 eine Anpassung eines der jeweiligen Detektionseinheit 4 zugeordneten Maximalwerts MAX für eine Anzahl der Zeitspannen ZS, welche während eines der Messzyklen MZ mittels der jeweiligen Detektionseinheit 4 gemessen sind, erfolgt, wobei zur Anpassung mehrere der vorher mittels der jeweiligen Detektionseinheit 4 gemessenen Zeitspannen ZS herangezogen sind.
Im Beispiel der 11 umfasst die Photonendetektionseinrichtung 3 mehrere unabhängige Detektionseinheiten 4, welche jeweils ein Pixel abbilden, wobei jede Detektionseinheit 4 wiederum aus einem oder mehreren Detektoren bestehen kann. Die Detektoren können als Einzelphoton-Avalanche-Dioden ausgeführt sein, da diese dank ihrer hohen Empfindlichkeit zur Erfassung einzelner Photonen PH und damit für das beschriebene Verfahren besonders geeignet sind. Jede Detektionseinheit 4 liefert Detektorsignale, sobald ein einfallendes Photon PH erkannt wurde.
12 zeigt ein beispielhaftes Blockschaltbild einer Zeitmesseinrichtung 5 für bis zu drei detektierten Photonen PH je Messzyklus MZ. Aus den Detektorsignalen der Detektoren wird innerhalb der Detektionseinheit 4 ein Detektionssignal DS erzeugt, welcher der Zeitmesseinheit 5, die z.B. als Time-to-Digital-Converter ausgeführt sein kann, zugeführt wird. Die Zeitmesseinheit 5 misst die Zeitspannen ZS zwischen einem beliebig festgelegten Startzeitpunkt (z.B. Aussenden des Laserpulses LP) und dem Auftreten der nachfolgenden Detektionssignale DS. Die Zeitspannen ZS werden dann in der Speichereinrichtung 8 gespeichert. Ist die maximale Anzahl möglicher Ereignisdetektionen erreicht, werden alle folgenden Detektionssignale DS verworfen. Nach dem Ende des Messzyklus MZ werden alle erfassten Zeitspannen ZS aus der Speichereinrichtung 8 ausgelesen und zu Bestimmung der Distanz extern weiterverarbeitet.
Die Zeitmesseinheit 5 kann als zweistufiger Time-to-Digital-Converter ausgeführt werden. Als erste Stufe und für die grobe Zeitmessung dient ein Zähler, welcher mit einer festgelegten Taktfrequenz zählt. Zu Steigerung der zeitlichen Auflösung kommt eine zweite Stufe zum Einsatz, welche die Zeit zwischen zwei Taktflanken des primären Taktsignals interpoliert. Die Interpolation kann durch die Verzögerung des Taktsignals in Schritten, die z.B. 1/16 der Taktperiode entsprechen, erfolgen. Der Zustand der auf diese Art erzeugten 16 sekundären Taktsignale gibt Auskunft über die zeitliche Position zwischen zwei Taktflanken des primären Taktes.
Um mehrere Ereignisse innerhalb eines Zyklus zu erfassen, kann der Time-to-Digital-Converter wie folgt betrieben werden: Zum Startzeitpunkt (z.B. Aussenden des Laserpulses LP) wird die Zeitmesseinheit 5 gestartet indem der Zähler mit dem primären Takt zu zählen beginnt. Tritt ein Detektionssignal DS auf, wird mittels einer speziellen Schaltung der zu diesem Zeitpunkt bestehende Wert des Zählers sowie der 16 sekundären Taktsignale in einem Speicherelement 9 abgelegt. Die Zeitmesseinheit, d.h. der Zähler, wird dabei nicht angehalten sondern läuft bis zu einem definierten Endzeitpunkt weiter. Beim zweiten Auftreten des Detektionssignals DS wird erneut der nun bestehende Wert des Zählers und der sekundären Taktsignale in einem zweiten Speicherelement 9 abgelegt, welches nicht dem ersten Speicherelement 9 entspricht. Auf diese Weise werden die Zeitpunkte aller nachfolgenden Ereignisdetektionen in separaten Speicherelementen 9 abgelegt. Die Anzahl der möglichen Ereignisdetektionen innerhalb eines Messzyklus MZ ist bei dieser Realisierung durch die Anzahl der Speicherelemente 9 begrenzt. Sind alle verfügbaren Speicherelemente 9 belegt, werden die weiteren Ereignisdetektionen verworfen.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können, dass eine oder mehrere oder alle der funktionalen Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisiert werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Vorrichtung durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eine der hierin beschriebenen Vorrichtungen zu realisieren.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels einer Vorrichtung durchgeführt werden, welche zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert ist. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können, dass das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.
Aspekte der Erfindung, welche hierin im Kontext der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben sind, repräsentieren ebenso Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens. Umgekehrt repräsentieren solche Aspekte der Erfindung, welche hierin im Kontext des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben sind, ebenso Aspekte der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogramm mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Manche Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen einen, vorzugsweise nichtflüchtigen Datenträger oder Datenspeicher, der ein Computerprogramm mit elektronisch lesbaren Steuersignalen aufweist, welches in der Lage ist, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können als Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm implementiert sein, wobei das Computerprogramm dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Bezugszeichenliste

1: Lasermessvorrichtung
2: Pulslaser
3: Photonendetektionseinrichtung
4: Detektionseinheit
5: Zeitmesseinrichtung
6: Steuereinrichtung
7: Histogramm
8: Speichereinrichtung
9: Speicherelement
LP: Laserpuls
PH: Photon
ZS: Zeitspanne
MV: Messvorgang
MW: Messwert
PS: Pulssignal
DS: Detektionssignal
MZ: Messzyklus
MAX: Maximalwert
PS: Pulssendesignal
DS: Detektionssignal
WDF: Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion

Quellen:

[1] Peter Seitz und Albert J. P. Theuwissen (Bearbeiter), „Single-Photon Imaging“. Heidelberg ; New York: Springer, 2011.
[2] Maik Beer, Bedrich J. Hosticka, and Rainer Kokozinski, „SPAD-Based 3D Sensors for High Ambient Illumination". 2016 12th Conference on Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), 2016, pp. 1-4.
[3] Tarek A. Abbas, Neale A. W. Dutton, Oscar Almer, Neil Finlayson, Francescopaolo Mattioli Della Rocca, and Robert Henderson, „A CMOS SPAD Sensor With a Multi-Event Folded Flash Time-to-Digital Converter for Ultra-Fast Optical Transient Captur". IEEE Sensors Journal, vol. 18, no. 8, pp. 3163-3173, Apr. 2018

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 Nicht-Patentliteratur

Maik Beer, Bedrich J. Hosticka, and Rainer Kokozinski, „SPAD-Based 3D Sensors for High Ambient Illumination“. 2016 12th Conference on Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), 2016, pp. 1-4 [0077]
Tarek A. Abbas, Neale A. W. Dutton, Oscar Almer, Neil Finlayson, Francescopaolo Mattioli Della Rocca, and Robert Henderson, „A CMOS SPAD Sensor With a Multi-Event Folded Flash Time-to-Digital Converter for Ultra-Fast Optical Transient Captur“. IEEE Sensors Journal, vol. 18, no. 8, pp. 3163-3173, Apr. 2018 [0077]

Claims

Lasermessvorrichtung zum Messen von Entfernungen mit einem Pulslaser (2) zum Aussenden von Laserpulsen (LP); einer Photonendetektionseinrichtung (3) mit wenigstens einer Detektionseinheit (4) zum Detektieren von Photonen (PH); einer Zeitmesseinrichtung (5) zum Messen von Zeitspannen (ZS) von einem Aussenden eines der Laserpulse (LP) bis zum Detektieren von einem der Photonen (PH) mittels der Detektionseinheit (4); und einer Steuereinrichtung (6) zur Steuerung von aufeinanderfolgenden Messvorgängen (MV), bei denen jeweils ein Messwert (MW) für eine der Entfernungen erzeugt ist, wobei die Steuereinrichtung (6) so ausgebildet ist, dass während der Messvorgänge (MV) jeweils eine Vielzahl von Messzyklen (MZ) durchgeführt ist, dass zu Beginn der Messzyklen (MZ) jeweils mit dem Pulslaser (2) einer der Laserpulse (LP) ausgesandt ist, dass während der Messzyklen (MZ) mittels der Zeitmesseinrichtung (5) für eine Vielzahl der Photonen (PH), welche während des jeweiligen Messzyklus (MZ) detektiert sind, jeweils eine der Zeitspannen (ZS) gemessen ist, dass die während mehrerer der Messzyklen (MZ) eines der Messvorgänge (MV) mittels der Zeitmesseinrichtung (5) gemessenen Zeitspannen (ZS) zur Erzeugung des Messwerts (MW) des jeweiligen Messvorgangs (MV) herangezogen sind, und dass eine Anpassung eines Maximalwerts (MAX) für eine Anzahl der Zeitspannen (ZS), welche während eines der Messzyklen (MZ) zur Erzeugung des Messwerts (MW) des jeweiligen Messvorgangs (MV) herangezogen sind, erfolgt, wobei zur Anpassung mehrere der vorher mittels der Zeitmesseinrichtung (5) gemessenen Zeitspannen (ZS) herangezogen sind.
Lasermessvorrichtung nach vorstehendem Anspruch, wobei die Steuereinrichtung (6) so ausgebildet ist, dass die Anpassung des Maximalwertes (MAX) nach einem Abschluss der Messzyklen (MZ) eines der Messvorgänge (MV) erfolgt, wobei die während der Messzyklen (MZ) des jeweiligen Messvorgangs (MV) gemessenen Zeitspannen (ZS) zur Anpassung des Maximalwertes (MAX) und zur Erzeugung des Messwerts (MW) des jeweiligen Messvorgangs (MV) herangezogen sind.
Lasermessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (6) so ausgebildet ist, dass die Anpassung des Maximalwertes (MAX) nach einem Abschluss eines Teils der Messzyklen (MZ) eines der Messvorgänge (MV) erfolgt, wobei die während des Teils der Messzyklen (MZ) des jeweiligen Messvorgangs (MV) gemessenen Zeitspannen (ZS) zur Anpassung des Maximalwertes (MAX) herangezogen sind.
Lasermessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (6) so ausgebildet ist, dass ausschließlich die nach dem Abschluss des Teils der Messzyklen (MZ) des jeweiligen Messvorgangs (MV) gemessenen Zeitspannen (ZS) zur Erzeugung des Messwerts (MW) des jeweiligen Messvorgangs (MV) herangezogen sind.
Lasermessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (6) so ausgebildet ist, dass sowohl die nach dem Abschluss des Teils der Messzyklen (MZ) des jeweiligen Messvorgangs (MV) gemessenen Zeitspannen (ZS) als auch die vor dem Abschluss des Teils der Messzyklen (MZ) des jeweiligen Messvorgangs (MV) gemessenen Zeitspannen (ZS) zur Erzeugung des Messwerts (MW) des jeweiligen Messvorgangs (MV) herangezogen sind.
Lasermessvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (6) so ausgebildet ist, dass die Anpassung des Maximalwertes (MAX) in Abhängigkeit von einer Varianz der zur Anpassung des Maximalwertes (MAX) herangezogenen gemessenen Zeitspannen (ZS) erfolgt.
Lasermessvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (6) so ausgebildet ist, dass eine Verteilungsdichtefunktion für die zur Anpassung herangezogenen gemessenen Zeitspannen (ZS) gebildet ist, und dass die Anpassung des Maximalwertes (MAX) in Abhängigkeit von einem Verhältnis eines Maximums der Verteilungsdichtefunktion und eines Mittelwerts der Verteilungsdichtefunktion erfolgt.
Lasermessvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Detektionseinheit (4) mindestens eine Einzelphoton-Avalanche-Diode umfasst.
Lasermessvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Photonendetektionseinrichtung (3) ein CMOS-Sensor mit einer Vielzahl von Detektionseinheiten (4) ist, welche zweidimensional angeordnet sind, wobei die Steuereinrichtung (6) so ausgebildet ist, dass bei einem der Messvorgänge (MV) mittels jeder der Detektionseinheiten (4) jeweils ein Messwert (MW) für eine der der jeweiligen Detektionseinheit (4) zugeordneten Entfernungen erzeugt ist, wobei bei jeder der Detektionseinheiten (4) die während mehrerer der Messzyklen (MZ) eines der Messvorgänge (MV) mittels der jeweiligen Detektionseinheit (4) gemessenen Zeitspannen (ZS) zur Erzeugung des Messwerts (MW) der jeweiligen Detektionseinheit (4) des jeweiligen Messvorgangs (MV) herangezogen sind, und wobei bei jeder der Detektionseinheiten (4) eine Anpassung eines der jeweiligen Detektionseinheit (4) zugeordneten Maximalwerts (MAX) für eine Anzahl der Zeitspannen (ZS), welche während eines der Messzyklen (MZ) mittels der jeweiligen Detektionseinheit (4) gemessen sind, erfolgt, wobei zur Anpassung mehrere der vorher mittels der jeweiligen Detektionseinheit (4) gemessenen Zeitspannen (ZS) herangezogen sind.
Verfahren zum Betreiben einer Lasermessvorrichtung (1) zum Messen von Entfernungen, wobei die Lasermessvorrichtung (1) einen Pulslaser (2) zum Aussenden von Laserpulsen (LP), eine Photonendetektionseinrichtung (3) mit wenigstens einer Detektionseinheit (4) zum Detektieren von Photonen (PH), eine Zeitmesseinrichtung (5) zum Messen von Zeitspannen (ZS) von einem Aussenden eines der Laserpulse (LP) bis zum Detektieren von einem der Photonen (PH) mittels der Detektionseinheit (4) und eine Steuereinrichtung (6) zur Steuerung von aufeinanderfolgenden Messvorgängen (MV), bei denen jeweils ein Messwert (MW) für eine der Entfernungen erzeugt wird, umfasst, wobei, gesteuert durch die Steuereinrichtung (6), während der Messvorgänge (MV) jeweils eine Vielzahl von Messzyklen (MZ) durchgeführt wird, wobei, gesteuert durch die Steuereinrichtung (6), zu Beginn der Messzyklen (MZ) jeweils mit dem Pulslaser (2) einer der Laserpulse (LP) ausgesandt wird, wobei, gesteuert durch die Steuereinrichtung (6), während der Messzyklen (MZ) mittels der Zeitmesseinrichtung (5) für eine Vielzahl der Photonen (PH), welche während des jeweiligen Messzyklus (MZ) detektiert sind, jeweils eine der Zeitspannen (ZS) gemessen wird, wobei, gesteuert durch die Steuereinrichtung (6), die während mehrerer der Messzyklen (MZ) eines der Messvorgänge (MV) mittels der Zeitmesseinrichtung (5) gemessenen Zeitspannen (ZS) zur Erzeugung des Messwerts (MW) des jeweiligen Messvorgangs (MV) herangezogen werden, und wobei, gesteuert durch die Steuereinrichtung (6), eine Anpassung eines Maximalwerts (MAX) für eine Anzahl der Zeitspannen (ZS), welche während eines der Messzyklen (MZ) zur Erzeugung des Messwerts (MW) des jeweiligen Messvorgangs (MV) herangezogen sind, erfolgt, wobei zur Anpassung mehrere der vorher mittels der Zeitmesseinrichtung (5) gemessenen Zeitspannen (ZS) herangezogen werden.
Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens nach dem vorstehenden Anspruch, wenn es auf einem Computer oder Prozessor ausgeführt wird.