(12) Oversettelse av europeisk patentskrift (11) NO/EP 2187231 B1 (19) NO NORGE (1) Int Cl. G01S 7/481 (06.01) G01S 7/497 (06.01) G01S 17/42 (06.01) Patentstyret (21) Oversettelse publisert 12.04.16 (80) Dato for Den Europeiske Patentmyndighets publisering av det meddelte patentet: 12.01.04 (86) Europeisk søknadsnr: 006.4 (86) Europeisk innleveringsdag 08.11.06 (87) Den europeiske søknadens Publiseringsdato.0.19 (30) Prioritet 07.11.14 US 940011 (84) Utpekte stater AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR (62) Avdelt fra EP6724, med inndato 08.11.06 (73) Innehaver ROSEMOUNT AEROSPACE INC., 14300 Judicial Road Burnsville, MN 306, USA (72) Oppfinner Ray, Mark D., 1609 W. County Road Box 21, Burnsville Minnesota 306, USA Swenson, James W., 37 Colfax Avenue, South Minneapolis Minnesota 419, USA Meneely, Cilinton T., 19 Summit Shores Circle Burnsville Minnesota 306, USA (74) Fullmektig Tandbergs Patentkontor AS, Postboks 170 Vika, 0118 OSLO, Norge (4) Benevnelse Lysdeteksjons- og avstandsmålingssystem (6) Anførte publikasjoner DE-T2-69 114 461 B1, EP-A- 0 173 617 B1, US-A- 3 23 730 B1, US-A- 808 727 B1, US-A- 4 326 799 B1, US-A- 48 009 B1, US-A- 4 311 38 B1
1 1 Bakgrunn Den foreliggende oppfinnelsen angår lysdeteksjon og avstandsmålingsspeil. Den er spesielt anvendinger i forbindelse med et lysdeteksjons- og avstandsmålingssystem (LIDAR) og vil bli beskrevet spesielt med henvisning til dette. Det vil allikevel forstås at oppfinnelsen også kan tilpasses andre applikasjoner. Et system for lysdeteksjon og avstandsbestemmelse (LIDAR) sender ut en lyspuls (f.eks. fra en laser), som blir reflektert fra et mål. En optisk mottaker detekterer det reflekterte lyset, og avstanden til målet blir beregnet fra forsinkelsestiden mellom utsendelsen av lyspulsen og deteksjonen av det reflekterte lyset. Mottakerens synsfelt og den utsendte lysstrålen er vanligvis tilpasset og innrettet sammen for å sikre maksimal lysinnsamlingseffektivitet. Hvis LIDAR- systemet inneholder en hurtig optisk skanner (slik som et hurtigbevegelig speil), er det mulig for synsfeltet til mottakeren å miste innretningen med hensyn til den projiserte lysstrålen. Et slikt justeringstap forårsakes av en endring i den utpekte retningen, som oppstår i løpet av tiden som lyspulsen trenger for å forplante seg til målet, å bli reflektert og så forplante seg tilbake til mottakeren. Graden av denne mistilpasningen er en forskyvningsvinkel" som avhenger av hastigheten til skanneren og avstanden til målet. For en skannende LIDAR som er "diffraksjonsbegrenset" (det vil si at divergensen til lystrålen bare er begrenset av bølgelengden og diameteren til strålen ved utgangsblenderåpningen fra LIDAR-systemet), skanningsvinkelhastigheten ω 1/2 (målt i radianer/sekund) for hvilken forskyvningsvinkelen er halvparten av divergensen til den utsendte lysstrålen: 2 30 hvor λ er bølgelengden til det utsendte lyset (i meter), c er lyshastigheten (- 3 x 8 meter/sekund), D er diameteren til den utsendte lysstrålen ved utgangsblenderåpningen fra LIDARsystemet (i meter), og R er avstanden til målet (i meter). Hvis mottakeren synsfelt innledningsvis er innrettet med en utsendt belysningskonus, blir det mottatte signalet redusert av forskyvningsvinkelen. Effekten blir verre ved lengre avstander og når skannehastigheten øker. Hvis LIDAR-systemet ikke er diffraksjonsbegrenset og divergensen til den utsendte strålen i stedet er lik, så blir den ovenfor angitte formelen: 3
2 Hvis f.eks. divergensen til den utsendte lysstrålen er 2 milliradianer (mrad) og avstanden til et mål er 3 km, er vinkelhastigheten ved hvilken forskyvningsvinkelen er halvparten av den utsendte strålebredden lik 0 radianer/sekund, eller 480 omdreininger/minutt (rpm). Hvis mottakerens synsfelt i dette tilfellet er tilpasset divergensen til den utsendte strålen, er forskyvningsvinkelen fremdeles tilstrekkelig liten for den optiske mottakeren til å detektere en redusert mengde med spredt lys fra målet, men for skannerhastigheter større enn 960 rpm, gjør virkningen av forskyvningsvinkelen at mottakerens synsfelt fullstendig mister eller formørker signalet fra 3 km og lenger avstander. Betingelsen for denne komplette formørkelsen, er: 1 2 30 3 Alle LIDAR-systemer enten de er skannende eller retningsfikserte, må ofte overvinne et annet forhold, stort dynamisk signalrekkevidde. Den dynamiske signalrekkevidden er forholdet mellom den maksimalt detekterbare lyssignalintensiteten (det vil si detektormetningen) og den minste detekterbare lysintensiteten. Det detekterte signalet avtar hurtig med økende avstand til målet. De mottatte signalene fra målene med kortere avstand, kan derfor overmette detektoren mens de fra lengre avstander knapt kan detekteres. En konstruksjonsteknikk kjent som "geometrisk kompresjon" kan redusere det dynamiske signalområdet ved å styre den fikserte overlappingen mellom senderens og mottakerens optiske synsfelter, avstanden mellom sender- og mottakeroptikken og skyggeleggingen av mottaker- og senderoptikken for å dempe signalet fra den nærmeste avstanden. Tidsforsinkelsen til det mottatte lyssignalet i forhold til den utsendte lyspulsen kommer ikke inn i denne kompresjonsberegningen siden disse konstruksjonsparameterne er statiske. Geometrisk kompresjon kan være fordelaktig ved både skannende og retningsfikserte LIDAR-systemer. Dokument DE 691 14 461 avdekker en telemetrienhet for detektering og lokalisering av tilbakespredningsobjekter, særlig skogbrannrøyk eller aerosoler. Enheten innbefatter en laserkilde som avgir repetitive pulser, et middel for detektering en tilbakespredningsstråle, og et styrbart hode som styrer den emitterte laserstrålen i en asimut og stigning. Et refleksjonshode 4 innbefatter et plant hovedspeil 17 (mottakene speil) på hvilket det er montert et andre speil 18 (sender speil). Det andre speil 18 er sentrert med hovedspeilet 17 på en sentral akse 24. En emittert stråle 19 reflekteres på et speil til senderspeil 18. En mottatt stråle 16 reflekteres ved det mottakende speil 17 mot speil 11 og deretter speil 12 før den rettes av speil 12 (og et speil 1) til en detektor 2. Dimensjonen og vinkelen av speilet beskytter detektoren 2 fra fenomenet av blending.
3 1 2 30 3 Dokument EP 0 173 617 A avdekker et laser transceiversystem for videobilder. En laser belyser 1 danner en laserstråle langs en bestemt retning. En mottaker 2 innbefatter en detektor 22 for detektering av laserlysstrålningen reflektert av et belyst mål. En baneseparator og skanneenhet 3 retter den reflekterte strålen mot detektoren og erstatter strålen med en vinkelrotasjon for å skanne et forhåndsbestemt område. Optiske avviksmidler 41, 42 produserer et relativ vinkelskifte mellom sikteretningen av belysningen og det fra mottakeren for å kompensere skannerotasjonen mens lysestrålen er transportert fram og tilbake mellom systemet og det belyste målet. Det optiske avviksmiddelet innbefatter en optisk deflektorenhet 41, som er kontrollert av en kontrollkrets 42 i henhold til variasjoner i skanningshastighet og avstand til målet. US-patent 431138 avdekker et skannende laserdeteksjonssystem som har optikk 18 som kompenserer for vinkelmessig avvik av et mottatt signal. En styrekomponent 48 roterer forskyvningsvinkelen for å kompensere optikken 18 for optisk å justere et referansesignal og et mottatt signal som skal være parallelle med hverandre langs en optisk bane 40. US 48009 avdekker et laserbildebehandlingssystem innbefattende laserbelysning som sender en lysstråle langs en bestemt retning. En mottaker innbefatter en detekteringsenhet som detekterer stråling returnert fra et objekt. Detekteringsenheten innbefatter en lineær rekke av N sidestilte elementer. Mottakeren omfatter elektriske kretser omfattende N detekteringskanaler og er utstyrt med kretser for identifisering av avstand gjennom rangen av deteksjonskanalen. Kompensasjonskretser for tidsskifte vist ved videosignaler som er funksjon av avstand for å bringe det belyste objektet tilbake til en korrekt vinkelposisjon. US 4326799 avdekker et skanningssystem som kombiner aktiv og passiv deteksjon av stråling fra mål. I den aktive tilstanden er en laserstråle skannet med en roterende wedge i et nedover skrånende Palmermønster utseende. En del av strålen er reflektert fra målene. Fire hellende transdusere plassert med rett vinkler til hverandre mellom en ytre overflate av skanne wedge 124 og en indre ring 140, kompensert for feilregistrering av en mottatt signalstråle. US 323730 avdekker et objekt lokaliseringssystem. Lasere pulseres lenge slik at varaktigheten av hver puls er lang i forhold til tiden som trengs for lys å forplante seg til et objekt og tilbake igjen. Avstand måles ved å skanne en smal stråle over et synsfelt innbefattende objektet. En vinkel mellom den sendte strålen og en reflektert stråle er brukt for å bestemte avstanden til objektet. Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer en ny og forbedret anordning og fremgangsmåte som tar hensyn til de ovenfor angitte problemene.
4 1 2 30 3 Oppsummering I en utførelsesform innbefatter et system for lysdeteksjon og avstandsbestemmelse en speilenhet som roterer rundt en skanneakse. Speilenheten innbefatter en mottakerdel og en senderdel forskjøvet med en vinkel omkring skanneaksen i forhold til et overflateplan for mottakerdelen. Respektive massesentrum for mottaker- og senderdelene er posisjonert ved et felles punkt på skanneaksen, mens mottaker- og senderdelene roterer omkring skanneaksen. En sender utsender en lyspuls mot speilenheten. Senderdelen er posisjonert for å reflektere lyspulsene mot et mål. En mottaker er posisjonert for å reflektere lyspulsen som er reflektert fra målet mot mottakeren. Vinkelforskyvningen kompenserer for en endring mellom en belysningskonus fra senderposisjonen og et synsfelt for mottakerdelen som et resultat av rotasjonen av speilenheten. Kort beskrivelse av tegningene På de vedføyde tegningene som er innlemmet og utgjør en del av beskrivelsen, er utførelsesformer av oppfinnelsen er illustrert og hvilke sammen med en generell beskrivelse gitt ovenfor og den detaljerte beskrivelsen gitt nedenfor tjener til å eksemplifisere utførelsesformene av foreliggende oppfinnelse. FIGUR 1 illustrerer et sidesnitt av et skannesystem i samsvar med én utførelsesform av en anordning som illustrer prinsipper for den foreliggende oppfinnelsen; FIGUR 2 illustrerer en toppvisning av skannesystemet på FIGUR 1; FIGUR 3 illustrerer en skjematisk representasjon av ukompenserte sender- og mottaker synsfelt; FIGUR 4 illustrerer en kurve av et mottatt signal som funksjon av avstand for den ukompenserte senderkonusbelysningen og mottaker synsfelt vist på FIGUR 3; FIGUR illustrerer en skjematisk representasjon av en kompensert belysningskonus fra senderen og mottakene synsfelt, i samsvar med en utførelsesform av en anordning som illustrerer prinsipper for den foreliggende oppfinnelsen; og FIGUR 6 illustrerer en kurve av et mottatt signal som funksjon av avstand for den kompenserte belysningskonusen fra senderens og mottakerens synsfelt vist på FIGUR. Detaljert beskrivelse av illustrerte utførelsesformer Med henvisning til FIGUR 1, vises et optisk skanner LIDAR-system innbefattende en sender 12 og en optisk mottaker 14. En speilenhet 16 omfattende en senderdel og en mottakerdel 22. I en utførelsesform roterer både senderen 12 og den optiske mottakeren 14 (skanner) sammen ved en konstant rotasjon (hastighet) i en retning. Mer bestemt roterer (som illustrert med 24) rotasjonsenhetene, spesielt
1 2 30 3 speilenheten 16, ved en forhåndsbestemt hastighet rundt en skanneakse 26. Sender- og mottakerdelene, 22, henholdsvis, er posisjonert konsentrisk for å ha et felles massesentrum 30. Massesentrumet 30 er posisjonert ved et felles punkt på skanneaksen 26. En lyspuls 32 som forlater senderen 12, passerer gjennom minst en linse 34 for å kollimere lyspulsen 32. Lyspulsen 32 blir så reflektert fra et første speil 36 (f.eks. et plant speil) mot senderdelen i speilenheten 16, hvor lyspulsen 32 blir 30 reflektert mot et mål 40. En belysningskonus fra senderen 42 (se FIGUR 3 og ) for lyspulsen 32 overført fra senderdelen til målet 40, er definert av en divergens som bestemmer punktstørrelsen til lyspulsen 32 på målet 40. Lyspulsen 32 reflekteres fra målet 40 tilbake mot mottakerdelen 22 i speilenheten 16. Et mottakersynsfelt 44 (se FIGUR 3 og ) for lyspulsen 32 reflektert fra målet 40 til mottakerdelen 22, er definert av den fullstendige avstanden til innfallsvinklene som kan detektere en lyspuls 32 på mottakerdelen 22, og er normalt tilpasset i divergens til den utsendte belysningskonusen. Den reflekterte lyspulsen 32 blir reflektert fra mottakerdelen 22 i speilenheten 16 mot et sirkulært (f.eks. sfærisk) speil 46 som reflekterer lyspulsen 32 mot et annet speil 0 (f.eks. et plant speil). Lyspulsen 32 blir reflektert fra det andre speilet 0, passerer gjennom minst en linse 2 og blir detektert av den optiske mottakeren 14. Elektronikk 4 som kommuniserer med den optiske mottakeren 14, bestemmer en avstand til målet 40 som en funksjon av det tidspunkt hvor lyspulsen blir mottatt ved den optiske mottakeren 14. I en utførelsesform blir avstanden til målet 40 bestemt ved å måle en forsinkelsestid for lys mottatt ved den optiske mottakeren 14 i forhold til utsendelsen av den opprinnelige lyspulsen. Tidsperioden mellom det tidspunkt hvor lyspulsen 32 forlater senderen 12 og blir mottatt ved den optiske mottakeren 14, blir referert til som forsinkelsestiden. Rotasjonsbevegelsen til de roterende elementene i løpet av forsinkelsestiden forskyver det mottatte synsfeltet 44 (se FIGUR 3 og ) i forhold til den utsendte lyskonen 42 (se FIGUR 3 og ). Denne forskyvningen mellom lyskonen og synsfeltet til mottakeren, henholdsvis 42 og 44, resulterer i en forskyvningsvinkel 6 (se FIGUR 2) mellom lyskonusen fra senderen og synsfeltet 42 til mottakeren 44. Forskyvningsvinkelen 6 øker som en funksjon av forsinkelsestiden og skannehastigheten. Forskyvningsvinkelen 6 øker følgelig som en funksjon av en avstand mellom senderdelen og speilenheten 16, målet 40 og den optiske mottakerspeildelen 22. Avstanden mellom speilenheten 16 (som innbefatter speilene og 22) og målet 40 blir følgelig referert til som målavstanden. Hvis den utsendte lyskonusen 42 og synsfeltet til mottakeren 44 er samtidig innrettet for mål ved forholdsvis korte avstander (noe som typisk er tilfelle med LIDAR-systemer), øker forskyvningsvinkelen med målavstanden. Som vist på FIGUR 2 er en vinkelmessig forskyvning (justering) foretatt mellom sender- og mottakerdelene, 22 for å kompensere for denne forskyvningsvinkelen 6. Den vinkelmessige justeringen blir derfor også referert til som en
6 1 2 30 3 forskyvningsvinkelkompensasjon. Mer spesielt blir senderdelen rotert svakt omkring aksen 26 i samme retning 24 som skanneren. Belysningskonusen 42 fra senderen ligger dermed alltid foran synsfeltet 44 til mottakeren ut til den maksimale avstanden. Den vinkelmessige justeringen er lik forsinkelsestiden til den maksimale arbeidsavstanden til målet multiplisert med en rotasjonshastighet for de roterende elementene. For denne justeringen er følgelig en overlapping mellom belysningskonusen 42 til senderen og synsfeltet 44 til mottakeren og oppsamlingseffekten til mottakeren størst ved den maksimale arbeidsavstanden til målet. FIGUR 3 illustrerer en overlapping mellom belysningskonusen 42 til senderen og synsfeltet 44 til mottakeren i et system uten forskyvningsvinkelkompensasjonen. FIGUR 4 illustrerer et diagram 60 for logaritmen til intensiteten ved mottakeren som funksjon av målavstanden for konfigurasjonen som er vist på FIGUR 3. Det vises til FIGUR 3 og 4 hvor lysintensiteten som mottas ved den optiske mottakeren 14 (se FIGUR 1) er bestemt som en funksjon av målavstand. Når målavstanden øker, avtar f.eks., for en konstant målereflektivitet, lysintensiteten som mottas ved den optiske mottakeren 14 (se FIGUR 1) (avtar f.eks. hurtig). For et gitt mål kan følgelig lysintensiteten ved den optiske mottakeren 14 (se FIGUR 1) variere betydelig over den virksomme avstanden. Intensiteten til lyset som detekteres ved den optiske mottakeren 14 (se FIGUR 1) ved avstanden 62, svarer til mottaksterskelen. På grunn av forsinkelsestiden Inntreffer en minimal overlapping 64 ved mottaksterskelavstanden 62, som bidrar til den svake intensiteten ved den optiske mottakeren 14 (se FIGUR 1). I tillegg illustrerer kurven 60 at en maksimal overlapping 66 inntreffer ved en mottakermetningsavstand 70 (nærmere den optiske mottakeren 14 (se FIGUR 1», som bidrar til metning av mottakeren 14 (se FIGUR 1). En fallende signalreduksjon ved meget korte avstander inntreffer på grunn av formørkning av senderspeilet av mottakerens synsfelt 44, en form for geometrisk kompresjon. Selv om ingen signalreduksjon ved kort avstand fremgår tydelig på FIGUR 4 (kurve 60), er en signalreduksjon illustrert på FIGUR 6 (kurve 72). FIGUR illustrerer en overlapping mellom belysningskonusen 42 til senderen og synsfeltet 44 til mottakeren i et system med kompensasjon for forskyvningsvinkel. FIGUR 6 illustrerer en kurve 72 for logaritmen til intensiteten ved mottakeren som funksjon av målavstanden. Det vises til FIGUR og 6 hvor lysintensiteten som mottas ved den optiske mottakeren 14 (se FIGUR 1) blir bestemt som en funksjon av målavstanden. Når målavstanden f.eks. øker, avtar lysintensiteten som mottas ved den optiske mottakeren 14 (se FIGUR 1) (bortsett fra ved meget korte avstander). I motsetning til den utførelsesformen som er illustrert på FIGUR 3 og 4, viser imidlertid kurven 72 at intensiteten av lys detektert ved den optiske mottakeren 14 (se FIGUR 1) er mellom detektorterskelen 74 og detektormetningsgrensen 76 over hele det virksomme målområdet (f.eks. fra omkring 2 meter til omkring 3000 meter). På grunn av
7 1 2 30 kompensasjonen for forskyvningsvinkel, inntreffer den maksimale overlappingen 82 mellom belysningskonusen 42 for senderen og synsfeltet 44 til senderen ved omkring den maksimale målavstanden (f.eks. omkring 3000 meter), selv om den minimale overlappingen 84 mellom belysningskonusen 42 til senderen og synsfeltet 44 til mottakeren inntreffer ved omkring den minste målavstanden. Kompensasjonen for forskyvningsvinkel øker det lyssignalet som detekteres av den optiske mottakeren 14 (se FIGUR 1) fra et mål lokalisert ved den maksimale arbeidsavstanden, og reduserer det signalet som mottas ved kort avstand, og det dynamiske området til den detekterte lysintensiteten blir dermed komprimert over hele det virksomme området. Det reduserte dynamiske området til lyssignalene ved den optiske mottakeren 14 (se FIGUR 1) reduserer kravene til mottakersensoren og den tilhørende elektronikken. Høyhastighetselektronikk med stort dynamisk område er ofte kostbar og vanskelig å fremstille. I en utførelsesform er kompensasjonen for forskyvningsvinkel gjort mindre enn belysningskonusen til senderen og/eller synsfeltet til mottakeren ved alle arbeidsavstander for systemet. Lignende resultater blir oppnådd hvis synsfeltet til mottakeren og senderens divergens er forskjellige og kompensasjonen for forskyvningsvinkelen er den samme som den maksimalt forventede forskyvningsvinkelen. Størrelsen av forsinkelsen i forhold til mottakerens synsfelt og/eller belysningskonusen til senderen kan skreddersys for å minimalisere det dynamiske området for lysintensitet mottatt av mottakeren, mens lysintensiteten mottatt ved mottakeren for mål fra lange avstander, maksimaliseres. Det er tenkt at LIDAR-systemet skanner hurtig (f.eks. er tiden for lyset i lyspulsen ikke neglisjerbar kort i forhold til den tilhørende skannebevegelsen i prosent av spotstørrelsen) og også i en retning, hvor forskyvningsvinkelen alltid er i samme retning og størrelsen av forskyvningsvinkelen er lineært relatert til avstanden. For et langsomt skannesystem (f.eks. hvor tur/retur-tiden for lyspulsene er neglisjerbar kort i forhold til den tilhørende skannebevegelsen i prosent av spotstørrelse), er signalkompresjon ved optimalisering av kompensasjon for forskyvningsvinkel (SCOLAC) unødvendig og kan ikke i betydelig grad komprimere intensitetsområdet til det mottatte lyset. For raske skannesystemer hvor skanneretningen reverseres eller beveges i forskjellige retninger (f.eks. en Palmer-speilskanning), kan SCOLAC likevel brukes, men kan være vanskeligere å implementere hvis den reverserende bevegelsen f.eks. ikke har konstant hastighet (f.eks. som i en sinusformet skanning). 3
8 P a t e n t k r a v 1 1. Et lysdetekterings og avstandsmålingsspeil (16), omfattende: en mottakerdel (22); og en senderdel (), respektive massesentrum (30) av mottakerdelene og senderdelene (22, ) posisjonert på et felles punkt på en skanneakse (26), mottakerdelene og senderdelene (22, ) roterer (24) rundt skanneaksen (26), senderdelen () er posisjonert for å reflektere en lyspuls på et mål (40) som en overført spot, mottakerdelen (22) som er posisjonert for å rette lyspulsen reflektert fra målet (40) på mottakerdelen (22) som en mottakerdel synsfelt (44), karakterisert ved at mottakerdelen () er forskjøvet med en vinkel (6) rundt skanneaksen (26) relativt til et overflateplan av mottakerdelen; og mottakerdelens synsfelt (44) overlapper overført spot (42) som en funksjon av avstanden til målet (40). 2. Lysdetektering og avstandsmålingsspeil (16) ifølge krav 1, hvori mottakerdelens synsfelt (44) økende overlapper overførte spot (42) når avstanden til målet (40) økes. 3. Lysdetektering og avstandsmålingsspeil (16) ifølge krav 1, hvori en intensitet av lyspulsen reflektert fra målet (40) på mottakerdelen (22) er en funksjon av overlappet mellom mottakerdelens synsfelt (44) og overførte spot (42).