DE102021113766B4 - Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit eines Zielobjekts mittels LIDAR und LIDAR-System - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit (v) eines Zielobjekts (16) mittels LIDAR, mit den Schritten:
(a) Erzeugen eines Mess-Laserstrahls (14) mit zumindest einer Mess-Frequenz (f14),
(b) Senden des Mess-Laserstrahls (14) zum Zielobjekt (16),
(c) Erfassen von Rück-Laserlicht (18), das vom Zielobjekt (16) reflektiert wurde,
(d) Erfassen einer Signal-Phasenlage (φ_signal) des Rück-Laserlichts (18) hinter einer Dispersionszelle (20), wobei die Dispersionszelle (20) eine Phasenverschiebung des Rück-Laserlichts (18) in Abhängigkeit von dessen Rück-laserlicht-Frequenz (f₁₈) bewirkt,
(e) Erfassen einer Referenz-Phase (φ_ref) des Rück-Laserlichts (18) mittels einer Referenz-Fotodiode (24) vor der Dispersionszelle (20), und
(f) Bestimmen der Geschwindigkeit (v) aus der Referenz-Phase (φ_ref) und der Signal-Phasenlage (φ_signal).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit eines Zielobjekts mittels LIDAR. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein LIDAR-System mit (a) einer Laserquelle zum Erzeugen eines Mess-Laserstrahls mit zumindest einer Mess-Frequenz, wobei (b) das LIDAR-System ausgebildet ist zum Senden des Mess-Laser-strahls zu einem Zielobjekt, und wobei (c) das LIDAR-System ausgebildet ist zum Erfassen von Rück-Laserlicht, das vom Zielobjekt reflektiert wurde.
• Bei einer Geschwindigkeitsmessung mittels LIDAR wird Licht auf das Zielobjekt ausgesendet und das reflektierte Licht erfasst. Bewegt sich das Zielobjekt relativ zur Laserquelle, so kommt es zu einer Frequenzverschiebung gemäß dem DopplerEffekt. Aus der Frequenzverschiebung kann auf die Relativgeschwindigkeit geschlossen werden.
• Nachteilig an bekannten LIDAR-Systemen ist, dass kleine Geschwindigkeiten nicht oder nur mit einer hohen Messunsicherheit gemessen werden können.
• Aus der US 6 646 723 B1 ist ein Interferometer zum Abstandsmessen bekannt, das Hochgeschwindigkeits-Phasenmodulatoren und zusätzliche Phasenmesser umfasst, um mehrere Überlagerungssignalpaare mit unterschiedlichen Frequenzen zu erzeugen und zu analysieren. Die elektrooptischen Hochgeschwindigkeits-Phasenmodulatoren erzeugen Modulationsseitenbänder mit großem Frequenzabstand und benötigen nur eine einzige frequenzstabile Laserquelle, so dass ein erster Laser nicht auf einen zweiten Laser des Interferometers abgestimmt oder stabilisiert werden muss. Die Kombination der von den modulierten Seitenbändern erzeugten Signale wird getrennt und verarbeitet, um den Zielabstand zu ermitteln.
• Das daraus resultierende Messgerät ermöglicht einen Sensor mit Submikrometergenauigkeit oder besser über einen Mehrkilometerbereich.
• Die US 2012/0 106 579 A1 beschreibt eine abstimmbare Laserquelle, die eine vorgegebene frequenzmodulierte optische Wellenform mit einer Genauigkeit von 0,01 Prozent über eine Bandbreite von mehr als etwa 50 Gigahertz erzeugt. Ein abstimmbarer Laser gibt dazu Licht einer vorgegebenen optischen Frequenz in optische Pfade ab. Mehrere optische Pfade sind so konfiguriert, dass sie das von dem Laser ausgegebene Licht auf einen optischen Detektor leiten. Mittels einer Steuerung wird eine gemessene Differenz in der optischen Dispersion zwischen den mehreren optischen Pfaden und einem vom optischen Detektor ausgegebenen Detektorsignal zum Regeln der Frequenz des Laserlichts verwendet.
• Die US 2020/0 150 251 A1 beschreibt ein LIDAR-Verfahren für autonome Fahrzeuge, bei dem ein optisches Signal eines Lasers moduliert wird und das modulierte optische Signal in Richtung eines Objekts gesendet wird. Das zurückreflektierte optische Signal wird empfangen und mit einem optischen Referenzsignal gemischt, um ein elektrisches Signal zu erzeugen. Aus dem elektrischen Signal und dem modulierten optischen Signal wird ein Parameter bestimmt, anhand dessen auf eine interne Reflexion des zurückreflektierten optischen Signals an einer optischen Komponenten geschlossen werden kann. So werden starke Reflexionssignale unterdrückt, die schwache Signale maskieren können. Auf diese Weise wird ein Fehler bei der Doppler-Geschwindigkeitsmessung vermindert.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein LIDAR-System vorzuschlagen, das kleine Geschwindigkeiten des Zielobjekts mit geringerer Messunsicherheit messen kann.
• Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit eines Zielobjekt mittels LIDAR, mit den Schritten: (a) Erzeugen eines Mess-Laserstrahls mit zumindest einer Mess-Frequenz f₁₄, (b) Senden des Mess-Laserstrahls zum Zielobjekt, (c) Erfassen von Rück-Laserlicht, das vom Zielobjekt reflektiert wurde, (d) Erfassen einer Signal-Phasenlage φ_signal des Rück-Laserlichts hinter einer Dispersionszelle, wobei die Dispersionszelle eine Phasenverschiebung des Rück-Laserlichts in Abhängigkeit von dessen Rücklaserlicht-Frequenz bewirkt, (e) Erfassen einer Referenz-Phase φ_ref des Rück-Laserlichts mittels einer Referenz-Fotodiode vor der Dispersionszelle, (f) Bestimmen der Geschwindigkeit aus der Referenz-Phase φ_ref und der Signal-Phasenlage φ_signal.
• Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein gattungsgemäßes LIDAR-System, das (c) eine Dispersionszelle, die im Betrieb eine Phasenverschiebung des Rück-Laserlichts in Abhängigkeit von dessen Rücklaserlicht-Frequenz bewirkt, (d) eine Signal-Fotodiode, die hinter der Dispersionszelle angeordnet ist und ausgebildet ist zum Erfassen einer Signal-Phasenlage φ_signal des Rück-Laserlichts, (e) eine Referenz-Fotodiode, die vor der Dispersionszelle angeordnet ist und ausgebildet ist zum Erfassen einer Referenz-Phase φ_ref des Rück-Laserlichts, und (f) eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist zum automatischen Bestimmen der Geschwindigkeit aus der Referenz-Phase φ_ref und der Signal-Phasenlage φ_signal, aufweist.
• Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass kleine Geschwindigkeiten des Zielobjekts mit geringer Messunsicherheit gemessen werden können. Durch die hohe Dispersion des Materials in der Dispersionszelle führt bereits eine kleine Änderung der Frequenzdifferenz zwischen der Mess-Frequenz und der Frequenz des Rück-Laserlichts zu einer starken Änderung einer Phasendifferenz zwischen Referenz-Phase und Signal-Phasenlage. Dadurch lässt sich die Änderung der Frequenzdifferenz und damit die Doppler-Frequenzverschiebung f_D mit hoher Genauigkeit bestimmen. Aus der Doppler-Frequenz lässt sich wiederum die Relativgeschwindigkeit des Zielobjekts relativ zur Laserquelle mit geringerer Messunsicherheit berechnen.
• Vorteilhaft ist zudem, dass die Reduktion der Messunsicherheit meistens auch bei hohen Relativgeschwindigkeiten erreichbar ist, wenn - wie gemäß einer bevorzugten Ausführung vom vorgesehen - die Mess-Frequenz automatisch so geregelt wird, dass die Frequenz des in die Dispersionszelle einfallenden Lichts in dem Intervall liegt, in dem die resultierende Phasenverschiebung zumindest im Wesentlichen linear von der Frequenz abhängt. Das wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Mess-Frequenz so geregelt wird, dass die Dopplerfrequenzverschiebung ausgeglichen wird.
• Der Brechungsindex n des Materials in der Dispersionszelle hängt von der Frequenzdifferenz zwischen Mess-Laserstrahl und Kontroll-Laserstrahl ab.
• Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt eines Bestimmens der Doppler-Frequenzverschiebung Δf_D aus der Referenz-Phase φ_ref und der Signal-Phasenlage φ_signal nach Δf_D = k*(φ_signal - φ_pref). k wird vorab durch Kalibrieren gemessen.
• Vorzugsweise handelt es sich bei der Dispersionszelle um eine EIT-Zelle. Eine EIT-Zelle ist ein Bauteil, in dem sich ein Material befindet, das bei einer EIT-Frequenz elektromechanisch induzierte Transparenz zeigt. Um die EIT-Frequenz herum existiert ein Linearitätsintervall, in dem die Phasenverschiebung, die von dem EIT-Material bewirkt wird, linear von einer Frequenzabweichung zwischen der EIT-Frequenz und der Frequenz des in die EIT-Zelle eingestrahlten Lichts abhängt.
• Die EIT-Zelle kann beispielsweise Metalldampf enthalten. Rubidiumdampf und Berylliumdampf haben sich als geeignet herausgestellt.
• Alternativ kann die Dispersion-Zelle zumindest zwei gekoppelte Resonatoren aufweisen.
• Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Schritte (a) Erzeugen eines Kontroll-Laser-strahls mit einer Kontroll-Frequenz f₁₄+f_O, die sich um eine Offsetfrequenz f_O von der Mess-Frequenz f₁₄ unterscheidet, und (b) Überlagern des Kontroll-Laserstrahls und des Rück-Laserstrahls und Leiten der Laserstrahlen durch eine EIT-Zelle, sodass die Dispersionszelle für die Rücklaserlicht-Frequenz transparent wird. Eine EIT-Zelle zeigt einen starken Dispersionseffekt und ist gut als Dispersionszelle geeignet.
• Günstig ist es, wenn das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Interferieren-Lassen des Rück-Laserlichts mit dem Mess-Laserstrahl, sodass eine Roh-Doppler-frequenzverschiebung erhalten wird, und (b) Regeln der Mess-Frequenz auf eine vorgegebene Soll-Messfrequenz anhand der Roh-Dopplerfrequenzverschiebung. In diesem Fall liegt die Frequenz des Rück-Lichts, das in die Dispersionszelle einfällt, unabhängig von der Geschwindigkeit des Zielobjekts im Linearitätsintervall der Dispersionszelle.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
• 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen LIDAR-Systems und
• 2 in der 2a die Abhängigkeit der Absorption einer Dispersionszelle in Form einer EIT-Zelle von einer Abweichung von einer EIT-Frequenz, in der 2b die Abhängigkeit der Dispersion von der Abweichung von der EIT-Frequenz und in der 2c eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LIDAR-Systems.
• 1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen LIDAR-Systems 10, das eine Laserquelle 12 zum Erzeugen eines Mess-Laserstrahls 14. Der Mess-Laserstrahl 14 hat eine Mess-Frequenz f₁₄ und wird auf ein Zielobjekt 16 abgegeben. Es kann sich bei dem Zielobjekt 16 um einen Retroreflektor handeln, das ist aber nicht notwendig.
• Die Mess-Frequenz f₁₄ kann durch Modulieren einer Grund-Frequenz f_p mit einer Modulationsfrequenz f_M erzeugt werden. Die Modulationsfrequenz liegt vorzugsweise im Megahertzbereich. Dann gilt enthält der Mess-Laserstrahl die Frequenzen $${\text{f}}_{\text{14}}={\text{f}}_{\text{p}}$$

  

  und $${\text{f}}_{\text{14}}={\text{f}}_{\text{p}}+{\text{f}}_{\text{M}}$$

  
• Das LIDAR-System 10 ist ausgebildet zum Erfassen von Rück-Laserlicht 18, das vom Zielobjekt 16 reflektiert wurde. Der Name Rück-Laserlicht soll andeuten, dass dieses Licht aus dem Mess-Laserstrahl entstanden ist. Es ist nicht notwendig, dass das Rück-Laserlicht kohärent ist. Insbesondere kann die Reflexion am Zielobjekt 16 eine diffuse Reflexion sein.
• Das Rück-Laserlicht 18 hat eine Rücklaserlicht-Frequenz f₁₈, die sich um eine Doppler-Frequenzverschiebung f_D von der Mess-Frequenz f₁₄ unterscheidet, es gilt daher $${\text{f}}_{\text{18}}={\text{f}}_{\text{14}}+{\text{f}}_{\text{D}}{\text{; f}}_{\text{D}}\text{ kann negativ sein}\text{.}$$

  
• Das Rück-Laserlicht 18 wird durch eine Dispersionszelle 20 geleitet, bei der es sich im vorliegenden Fall um eine EIT-Zelle handelt. In der Dispersion-Zelle 20 ist Rubidiumdampf enthalten. In Strahlausbreitungsrichtung R hinter der Dispersionszelle 20 ist eine Signal-Fotodiode 20 angeordnet.
• Auf die Signal-Fotodiode 22 trifft damit Licht mit den Frequenzen f_p + f_M und f₁₄+f_D = f_p+ f_M +f_D (siehe Gleichungen (2) und (3)). Insbesondere entstehen so die Mischfrequenzen $${\text{f}}_{\text{M}}+{\text{f}}_{\text{D}}{\text{ und f}}_{\text{M}}-{\text{f}}_{\text{D}}$$

  

  f_M + f_D wird als Signal-Frequenz f_Signal = f_M + f_D herausgefiltert. Die Phase der Signal-Frequenz ist eine Signal-Phasenlage φ_signal.
• In Signalausbreitungsrichtung R vor der Dispersionszelle 20 ist eine Referenz-Fotodiode 24 angeordnet. Auf die Referenz-Fotodiode 24 fällt Rück-Laserlicht 18, das die Frequenzen $${\text{f}}_{\text{18}}={\text{f}}_{\text{14}}+{\text{f}}_{\text{D}}={\text{f}}_{\text{p}}+{\text{f}}_{\text{D}}{\text{ und f}}_{18}={\text{f}}_{\text{14}}+{\text{f}}_{\text{D}}={\text{f}}_{\text{p}}+{\text{f}}_{\text{M}}+{\text{f}}_{\text{D}}$$

  

  enthält. Da die Modulationsfrequenz f_M im Megahertzbereich liegt, ist sie bei kleinen Geschwindigkeiten v deutlich kleiner als die Doppler-Frequenzverschiebung f_D. Es wird nur der Frequenzanteil um die Modulationsfrequenz f_M herausgefiltert, sodass die Referenz-Frequenz $${\text{f}}_{\text{M}}+{\text{f}}_{\text{D}}$$

  

  verbleibt, die eine Referenz-Phase φ_ref hat. Die Referenz-Phase φ_ref unterscheidet sich von der Signal-Phasenlage φ_signal, da das Rück-Laserlicht 18 vor dem Bestimmen der Signal-Phasenlage φ_signal durch die Dispersionszelle 20 gelaufen ist.
• Die Signal-Fotodiode 22 bestimmt die Signal-Phasenlage φ_signal des Rück-Laserlichts 18 hinter der Dispersionszelle 20 relativ zur Referenz-Phase φ_ref des Rück-Laserlichts vor der Dispersionszelle 20. Es ergibt sich eine Phasendifferenz $$\mathrm{\Delta \phi =}{\mathrm{\phi }}_{\text{signal}}-{\mathrm{\phi }}_{\text{ref}}.$$

  
• Die Signal-Fotodiode 22 und Referenz-Fotodiode 24 geben elektrische Signale an eine Auswerteeinheit 26 ab, aus denen die Auswerteeinheit 26 eine Geschwindigkeit v des Zielobjekts 16 relativ zum LIDAR-System 10 berechnet. Das geschieht nach der Formel $$\mathrm{\Delta }{\text{f}}_{\text{D}}=\text{k}\ast \mathrm{\Delta \phi }=\text{k}\ast \left({\mathrm{\phi }}_{\text{signal}}-{\mathrm{\phi }}_{\text{ref}}\right)$$

  
• Darin ist k ein Kalibrierfaktor, der in einem Vorversuch bestimmt wird. Damit die Dispersionszelle 20 für das Rück-Laserlicht 18 transparent ist, wird von der Laserquelle 12 ein Kontroll-Laserstrahl 28 mit einer Kontroll-Frequenz f₂₈ erzeugt, die sich um eine Offsetfrequenz f_O von der Mess-Frequenz f₁₄ unterscheidet. Es gilt folglich $${\text{f}}_{\text{28}}={\text{f}}_{\text{14}}+{\text{f}}_{\text{M}}\left(-{\text{f}}_{\text{M}}+{\text{f}}_{\text{O'}}\right)={\text{f}}_{\text{p}}+{\text{f}}_{\text{O}}\text{.}$$

  
• Dass die Offsetfrequenz f_O in Bezug auf die Grund-Frequenz f_p definiert ist, dient lediglich der einfacheren Erläuterung des Verfahrens.
• Mittels eines Überlagerungselements 30, im vorliegenden Fall eines polarisationssensitiven Strahlteilers 30.1, wird der Kontroll-Laserstrahl 28 mit dem Rück-Laserlicht 18 überlagert, sodass ein Überlagerungs-Laserstrahl 32 entsteht. Dieser Überlagerungs-Laserstrahl 32 wird durch die Dispersionszelle 20 geleitet. Die Kontroll-Frequenz f₂₈ ist so gewählt, dass Dispersionszelle 20 für das Rück-Laserlicht 18 transparent wird.
• Vor dem Eintritt in die Dispersionszelle 20 durchläuft der Überlagerungs-Laserstrahl 32 ein Polarisationsänderungselement 34.1, im vorliegenden Fall ein erstes λ/4-Plättchen. Nach dem Durchtritt durch die Dispersionszelle 20 durchläuft der Überlagerungs-Laserstrahl 32 ein weiteres Polarisationsänderungselement 34.2, hier wieder in Form eines λ/4-Plättchens, und einen zweiten polarisationssensitiven Strahlteiler 30.2, der den Kontroll-Laserstrahl 28 ablenkt, sodass nur das Rück-Laserlicht 18 auf die Signal-Fotodiode 22 trifft.
• 2a zeigt die Abhängigkeit der Absorption der Dispersionszelle 20 von der Abweichung der Frequenz des einfallenden Lichts von der Mess-Frequenz f₁₄. Es ist zu erkennen, dass die Dispersionszelle 20 für Licht mit einer Frequenz, die nur wenig von der Mess-Frequenz f₁₄ abweicht, transparent ist.
• 2b zeigt die Abhängigkeit der Dispersion der Dispersionszelle 20 von der Abweichung der Frequenz des einfallenden Lichts von der Mess-Frequenz f₁₄. In einem Linearitätsintervall L hängen die Dispersion und damit der Brechungsindex n linear von der Abweichung der jeweiligen Frequenz von der Mess-Frequenz f₁₄ ab. Aus diesem Grund ist die Phasendifferenz Δφ ungleich 0. Der Kalibrierfaktor k ergibt sich aus der Steigung der Kurve in 2b im Linearitätsintervall L.
• 1 zeigt, dass das Rück-Laserlicht 18 auf einen dritten Strahlteiler 30.3 trifft. Ein erster Teilstrahl 36.1 wird auf die Referenz-Fotodiode 24 geleitet. Ein zweiter Teilstrahl 36.2 passiert den zweiten Strahlteiler 30.3 und fällt auf den ersten Strahlteiler 30.1.
• Zwischen dem dritten Strahlteiler 30.3 und der Referenz-Fotodiode 24 ist ein zweites Polarisationsänderungselement 34.2 angeordnet, dass im vorliegenden Fall ein λ/4-Plättchen ist. Zwischen dem dritten Strahlteiler 30.3 und der Referenz-Fotodiode 24 ist zudem ein teildurchlässiger Spiegel 38 angeordnet, der einen Teil des auftretenden Lichts, beispielsweise im Wesentlichen die Hälfte, durch den zweiten Strahlteiler 30.3 auf eine Doppler-Fotodiode 40 reflektiert. Dieses Licht interferiert mit dem Mess-Laserstrahl 14 auf der Doppler-Fotodiode 40. Der Mess-Laserstrahl 14 kann beispielsweise durch den dritten Strahlteiler 30.3 auf die Doppler-Fotodiode 40 geleitet werden.
• Beim Interferieren entsteht insbesondere die Roh-Dopplerfrequenzverschiebung f_D,roh. Diese Roh-Dopplerfrequenzverschiebung f_D,roh entspricht derjenigen Frequenz, die bei herkömmlichen LIDAR-Systemen zum Bestimmen der Geschwindigkeit v des Zielobjekts 16 verwendet wird.
• Die Laserquelle 12 kann anhand der Roh-Dopplerfrequenzverschiebung f_D,roh so geregelt werden, dass die Summe aus Modulationsfrequenz f_M und Doppler-Frequenzverschiebung f_D, die als Soll-Messfrequenz f_14,soll bezeichnet werden kann, konstant bleibt. In anderen Worten wird die Mess-Frequenz anhand der Roh-Dopplerfrequenzverschiebung f_D,roh auf die Soll-Messfrequenz f_14,soll geregelt. Dann fällt stets Licht einer konstanten Frequenz in die Dispersionszelle 20 ein.
• Die Regelung der Summe aus Modulationsfrequenz f_M und Doppler-Frequenzverschiebung f_D anhand des Signals der Doppler-Fotodiode 40 hat einen Regelfehler. Das heißt, dass die Summe f_M + f_D zeitlich schwankt. Diese Schwankung ist aber so klein, dass die Frequenz des Lichts, das in die Dispersionszelle 20 einfällt, stets innerhalb des Linearitätsintervall L ist, und wird anhand der Phasendifferenz Δφ erfasst. Auf diese Weise ist eine Geschwindigkeitsmessung mit geringer Messunsicherheit in einem weiten Bereich der Geschwindigkeit v möglich.
• Alternativ oder zusätzlich wird die Laserquelle 12 anhand der Roh-Dopplerfrequenzverschiebung so geregelt, dass das Rück-Laserlicht 18 eine vorgegebene Soll-Rücklaserlichtfrequenz hat.
• Um zu erreichen, dass der Mess-Laserstrahl 14 und/oder das Rück-Laserlicht 18 wie angegeben auf die Referenz-Fotodiode 24 und die Doppler-Fotodiode 40 fallen, ist zwischen dem ersten Strahlteiler 30.1 ein zweites Polarisationsänderungselement 34.2 angeordnet. Zudem ist in Strahlausbreitungsrichtung R hinter dem Strahlteiler 30.3 ein drittes Polarisationsänderungselement 34.3 angeordnet.
• 2c zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LIDAR-Systems 10, bei dem die Dispersionszelle 20 zumindest zwei gekoppelte Resonatoren 42.1, 42.2 aufweist.
• Bezugszeichenliste

10

LIDAR-System

12

Laserquelle

14

Mess-Laserstrahl

16

Zielobjekt

18

Rück-Laserlicht

20

Dispersionszelle

22

Signal-Fotodiode

24

Referenz-Fotodiode

26

Auswerteeinheit

28

Kontroll-Laserstrahl

30

Strahlteiler

32

Überlagerungs-Laserstrahl

34

Polarisationsänderungselement

36

Teilstrahl

38

teildurchlässiger Spiegel

40

Doppler-Fotodiode

42

Resonator

φref

Referenz-Phase

φsignal

Signal-Phasenlage

Δφ

Phasendifferenz

f14

Mess-Frequenz

f18

Rücklaserlicht-Frequenz

f28

Kontroll-Frequenz

fD

Doppler-Frequenzverschiebung

fM

Modulationsfrequenz

fO

Offsetfrequenz

fp

Grund-Frequenz

frück

Rücklaserlicht-Frequenz

fSignal

Signal-Frequenz

f14,soll

Soll-Messfrequenz

k

Kalibrierfaktor

L

Linearitätsintervall

n

Brechungsindex

R

Strahlausbreitungsrichtung

v

Geschwindigkeit

Claims (6)

1. Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit (v) eines Zielobjekts (16) mittels LIDAR, mit den Schritten: (a) Erzeugen eines Mess-Laserstrahls (14) mit zumindest einer Mess-Frequenz (f14), (b) Senden des Mess-Laserstrahls (14) zum Zielobjekt (16), (c) Erfassen von Rück-Laserlicht (18), das vom Zielobjekt (16) reflektiert wurde, (d) Erfassen einer Signal-Phasenlage (φ_signal) des Rück-Laserlichts (18) hinter einer Dispersionszelle (20), wobei die Dispersionszelle (20) eine Phasenverschiebung des Rück-Laserlichts (18) in Abhängigkeit von dessen Rück-laserlicht-Frequenz (f₁₈) bewirkt, (e) Erfassen einer Referenz-Phase (φ_ref) des Rück-Laserlichts (18) mittels einer Referenz-Fotodiode (24) vor der Dispersionszelle (20), und (f) Bestimmen der Geschwindigkeit (v) aus der Referenz-Phase (φ_ref) und der Signal-Phasenlage (φ_signal).
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte (a) Erzeugen eines Kontroll-Laserstrahls (28) mit einer Kontroll-Frequenz (f₁₄+f_O), die sich um eine Offsetfrequenz (f_O) von der Mess-Frequenz (f₁₄) unterscheidet, und (b) Überlagern des Kontroll-Laserstrahls (28) und des Rück-Laserlichts (18) und Leiten der Laserstrahlen durch eine EIT-Zelle, sodass die Dispersionszelle (20) für die Rücklaserlicht-Frequenz (f_rück) transparent wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte (a) Interferieren-Lassen des Rück-Laserlichts (18) mit dem Mess-Laserstrahl (14), sodass eine Roh-Dopplerfrequenzverschiebung erhalten wird, und (b) Regeln der Mess-Frequenz (14) auf eine vorgegebene Soll-Messfrequenz (f_14,soll) anhand der Roh-Dopplerfrequenzverschiebung.
4. LIDAR-System (10) mit (a) einer Laserquelle (12) zum Erzeugen eines Mess-Laserstrahls (14) mit zumindest einer Mess-Frequenz (f₁₄), (b) wobei das LIDAR-System (10) ausgebildet ist zum Senden des Mess-Laserstrahls (14) zu einem Zielobjekt (16) und (c) wobei das LIDAR-System (10) ausgebildet ist zum Erfassen von Rück-Laserlicht (18), das vom Zielobjekt (16) reflektiert wurde, gekennzeichnet durch (d) eine Dispersionszelle (20), die im Betrieb eine Phasenverschiebung des Rück-Laserlichts (18) in Abhängigkeit von dessen Rücklaserlicht-Frequenz (f₁₈) bewirkt, (e) eine Signal-Fotodiode (22), die hinter der Dispersionszelle (20) angeordnet ist und ausgebildet ist zum Erfassen einer Signal-Phasenlage (φ_signal) des Rück-Laserlichts (18), (f) eine Referenz-Fotodiode (24), die vor der Dispersionszelle (20) angeordnet ist und ausgebildet ist zum Erfassen einer Referenz-Phase (φ_ref) des Rück-Laserlichts (18), und (g) eine Auswerteeinheit (26), die ausgebildet ist zum automatischen Bestimmen der Geschwindigkeit (v) aus der Referenz-Phase (φ_ref) und der Signal-Phasenlage (φ_signal).
5. LIDAR-System (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Dispersionszelle (20) eine EIT-Zelle ist, in der sich Metalldampf befindet, (b) die Laserquelle (12) ausgebildet ist zum Erzeugen eines Kontroll-Laserstrahls (28) mit einer Kontroll-Frequenz (f₁₄+f_O), die sich um eine Offsetfrequenz (f_O) von der Mess-Frequenz (f₁₄) unterscheidet, (c) das LIDAR-System (10) ein Überlagerungselement, das ausgebildet ist zum Überlagern des Kontroll-Laserstrahls (28) und des Mess-Laserstrahls (14), sodass ein Überlagerungs-Laserstrahl (32) entsteht, aufweist und das angeordnet ist zum Leiten des Überlagerungs-Laserstrahls (32) durch die EIT-Zelle und dass (d) die Dispersionszelle (20) für die Mess-Frequenz (f₁₄) beim Einstrahlen des Überlagerungs-Laserstrahls (32) transparent ist.
6. LIDAR-System (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersionszelle (20) zumindest zwei gekoppelte Resonatoren (42) aufweist.

Images