Algorithmen und Signalverarbeitung für LiDAR
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, durch statistische Untersuchungen ein Light-Detection-and-Ranging-System (LiDAR-System) mit dem Einsatz von Single-Photon-Avalanche-Dioden (SPADs) mit direktem Time-of-Flight (ToF) und bestehendem Time-Gating um eine Messfensterverzögerung zu erweitern und verschiedene Anwendung direkter Laufzeitmessungen für Multiobjektdetektion oder Distanzbestimmungen bei störenden Umwelteinflüssen, wie starkes Hintergrundlicht oder Nebel, mit dem
LiDAR-Demonstrator Owl, der am Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (Fraunhofer IMS) entwickelt wurde, zu ermöglichen.
Im direkten ToF wird ein kurzer Laserpuls, meist im Wellenlängenbereich des Nahin-fraroten (z.B. 905 nm ), ausgesendet, an einem Objekt reflektiert und die Distanz über die Lichtlaufzeit bestimmt. Die statistische Beschreibung im First-Photon-Verfahren der ankommenden Photonen wird über die Erlang-Verteilung bestimmt. Mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (Probability-Density-Function – PDF) kann der in einem Histogramm erwartete Verlauf nachgebildet werden. Die Histrogrammbildung dient zum Sammeln der Distanzen über mehrere Messungen und unterschiedliche Verzögerungsschritte. Es ermöglicht präzise Distanzbestimmungen ohne vorherige Informationen über die ungefähre Distanz des Objektes zu kennen.
In der Messfensterverzögerung wird die Empfangswahrscheinlichkeit von Laserphotonen über den Messbereich variiert. Die Messung wird nach einer definierten Verzögerung gestartet. Die Verzögerungen sowie die Wiederholungen können individuell variiert werden, damit die Detektion des reflektierten Signals bestmöglich gewährleistet wird. Die Empfangswahrscheinlichkeit zur Detektion eines Laserphotons wird durch die kürzere Detektionszeit des Hintergrundes gesteigert.
Zur Beschreibung der Messfensterverzögerung wird die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion in unterschiedliche Fälle mit und ohne Laserlicht sowie Hintergrund unterteilt. Unterschieden wird das Verfahren in drei Anwendungsfälle. Dabei werden gleichverteilte Verzögerungsschritte, eine Anpassung für einen konstanten Hintergrundverlauf und eine konstante Detektionswahrscheinlichkeit eines Objektes mit abnehmender Laserintensität gemäß dem Abstandsgesetz betrachtet. Die statistischen Untersuchungen sowie die Messfensterverzögerung wurden durch ein Simulationstool zusammengefasst und bereitgestellt.
Der LiDAR-Demonstrator Owl wurde in dieser Arbeit weiterentwickelt. Es wurde eine Software zur Ansteuerung des Kamerasystems in LabVIEW geschrieben, die eine einfache Anpassung auf verschiedene Messprozeduren ermöglicht. Zudem wurde ein Softwarezweig zur Messe- und Kundenpräsentation, sowie zu Forschungszwecken realisiert.
Mit dem LiDAR-Demonstrator Owl wurden Messungen durchgeführt, die eine Reduzierung des Sonnenlichteinflusses und somit eine Reichweitensteigerung zeigen. Es kann eine Reichweitensteigerung von bis zu 40% erreicht werden. Zudem wurde das System in nebliger Umgebung untersucht und eine Detektionsmöglichkeit des Systems von Objekten im Nebel mit der Messfensterverzögerung gezeigt werden, die mit einer Standardmessung im Vorhinein nicht möglich war. Hierbei konnte bei leichtem Nebel ein weißes Objekt noch bis 9 m erfolgreich detektiert werden. Ein schwarzes Objekt ließ sich bis zu 6 m Entfernung detektieren. Durch den Einsatz eines Retroreflektors war bis zum maximalen Messbereich von 9 m aufgrund der räumlichen Gegebenheiten eine sehr gute Distanzbestimmung in allen Entfernungen möglich und wäre auch darüber hinaus gegeben.
A reliable distance detection and environmental survey are indispensable for many applications, especially under strong environmental influences. High ambient light and atmospheric precipitation are challenging the measurement systems.
The aim of this thesis is to amplify a Light-Detection-and-Ranging-System (LIDAR-System) with utilization of Single-Photon-Avalanche-Diods (SPADs). Direct Time-of-Flight (ToF) and existing Time-Gating by statistical analysis and stepwise shifting of the measurement window can enable different applications of direct ToF for multi-object detection and distance measurement under strong environmental influences like high ambient light and fog with the LIDAR-Demonstrator Owl. The demonstrator system was invented at Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (Fraunhofer IMS).
In direct ToF a short laser pulse with wavelengths usually in near infrared (e.g. 905 nm ) is emitted, reflected on an object and the distance is determined by the ToF of the light. The statistical description in the first-photon method of the incoming photons is defined by the Erlang distribution. It is possible to model the expected progress in a histogram with the probability density function (PDF). The forming of histograms enables the collection of distances over multiple measurements and different time gatings. This procedure allows precise distance measurements without previous information about the approximated distance of the object.
In shifting of the time-gating measurement window the probability of detecting a laser photon is varied over the measurement range. The measurement is started after a defined delay. It is possible to vary the delay and the repetition of the measurement individually to get the best possible detection of the reflected signal. The probability of receiving for the detection of a laser photon is increased due to shorter detection time of the background.
The PDF is subdivided into different cases with and without laser light and background light to describe the time-window-shifting. The differentiation is in three applications. In this case are evenly distributed time-gated steps, a constant background illumination and a constant probability of detection of an object with decreasing laser intensity according to the distance law considered. The results of statistical analysis and the shifted time-gating measurement window were presented by a simulation tool.
The LiDAR-Demonstrator Owl was developed. A software for the camera control was coded in LabVIEW to enable a simple adaption for different measurement procedures. Furthermore, a software part for exhibition and customers performance as well as research and development were realized.
With the LiDAR-Demonstrator Owl measurements were done for reducing the influence of sunlight and the measurement range is increased up to 40% . The system was analyzed in foggy environment and the detection of different objects with the shifting of the measurement window was possible in contrast to the previously used standard measurement. With the new measurement technique, a white object could be detected up to 9 m in slight fog. A black object could be detected of up to 6 m distance. A retroreflector could be detected in every measurement distance of up to 9 m excellently. A farther distance could be possible, but the premises did not allow further distances.