DE102018116513B4

DE102018116513B4 - Vorrichtung und Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts

Info

Publication number: DE102018116513B4
Application number: DE102018116513.7A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Davydenko; Andy Zott; Frank Höller; Jan Horn
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2038-07-10
Also published as: WO2020011586A1; DE102018116513A1

Abstract

Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, mit
• einer ersten Lichtquelle (210, 310) zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz;
• einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts auf Basis eines aus dem Signal hervorgegangenen, an dem Objekt reflektierten Messsignals und eines nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignals; und
• einem dispersiven Element (230, 334), welches eine frequenzselektive Winkelverteilung des Messsignals bewirkt, wobei hierdurch erzeugte Teilsignale unter voneinander verschiedenen Winkeln zu dem Objekt gelenkt werden;
• wobei die Auswerteeinrichtung weiter zur Ermittlung einer Geschwindigkeit des Objekts auf Basis von jeweils zwei Differenzfrequenz-Bestimmungen zwischen jeweils einem an dem Objekt reflektierten Messsignal und einem nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignal ausgelegt ist, wobei die für diese beiden Differenzfrequenz-Bestimmungen herangezogenen Messsignale sich hinsichtlich der die jeweilige Zeitabhängigkeit ihrer Frequenz beschreibenden Funktion voneinander unterscheiden; und
• wobei die Vorrichtung zusätzlich zur ersten Lichtquelle (310) eine zweite Lichtquelle (350) zum Aussenden eines optischen Signals mit in diskreten Schritten zeitlich variierender Frequenz aufweist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts.
Stand der Technik
Zur optischen Abstandsmessung von Objekten ist u.a. ein auch als LIDAR bezeichnetes Messprinzip bekannt, bei welchem ein in seiner Frequenz zeitlich verändertes optisches Signal zu dem betreffenden Objekt hin ausgestrahlt und nach an dem Objekt erfolgter Rückreflexion ausgewertet wird.
7a zeigt lediglich in schematischer Darstellung einen für sich bekannten prinzipiellen Aufbau, in welchem ein von einer Lichtquelle 710 ausgesandtes Signal 711 mit zeitlich veränderter Frequenz (auch als „Chirp“ bezeichnet) in zwei Teilsignale aufgespalten wird, wobei diese Aufspaltung z.B. über einen nicht dargestellten teildurchlässigen Spiegel erfolgt. Die beiden Teilsignale werden über einen Signalkoppler 750 gekoppelt und an einem Detektor 760 einander überlagert, wobei das erste Teilsignal als Referenzsignal 722 ohne Reflexion an dem mit „740“ bezeichneten Objekt zum Signalkoppler 750 und zum Detektor 760 gelangt. Das zweite am Signalkoppler 750 bzw. am Detektor 760 eintreffende Teilsignal verläuft hingegen als Messsignal 721 über einen optischen Zirkulator 720 und einen Scanner 730 zum Objekt 740, wird von diesem zurückreflektiert und gelangt somit im Vergleich zum Referenzsignal 722 mit einer Zeitverzögerung und entsprechend veränderter Frequenz zum Signalkoppler 750 und zum Detektor 760.
Über eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wird das vom Detektor 760 gelieferte Detektorsignal relativ zur Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 710 ausgewertet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste, im Diagramm von 7b dargestellte Differenzfrequenz 731 zwischen Messsignal 721 und Referenzsignal 722 charakteristisch für den Abstand des Objekts 740 von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 710 ist. Gemäß 7b kann dabei zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt 740 und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 710 der zeitabhängige Frequenzverlauf des von der Lichtquelle 710 ausgesandten Signals 711 so beschaffen sein, dass zwei Abschnitte vorliegen, in denen die zeitliche Ableitung der von der Lichtquelle 710 erzeugten Frequenz zueinander entgegengesetzt ist.
In der Praxis besteht ein Bedarf, auch bei in größeren Abständen befindlichen (ggf. auch bewegten) Objekten, bei welchen es sich z.B. um Fahrzeuge im Straßenverkehr handeln kann, eine möglichst genaue und zuverlässige Abstandsmessung zu realisieren. Dabei ist im Hinblick auf eine möglichst hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Vorrichtung zur Abstandsermittlung weiter wünschenswert, beim Abscannen des jeweiligen Objekts den Einsatz beweglicher Komponenten wie Scan- bzw. Ablenkspiegel zu vermeiden oder zu minimieren und zugleich weiterhin auch eine Bewegung des Objekts und den damit einhergehenden Einfluss des Dopplereffekts auf die Messung zu berücksichtigen.
US 2018/0024246 A1 offenbart u.a. eine LIDAR-Vorrichtung für Fahrzeuge, wobei zum einen zwecks Ermittlung von sowohl Abstand als auch Geschwindigkeit des Objekts zeitlich ansteigende und zeitlich abfallende Frequenzverläufe („upchirp“ und „down-chirp“) eingesetzt werden, und wobei zum anderen auch eine Ausführungsform mit einer über ein Beugungsgitter realisierten, frequenzabhängigen Strahlablenkung in Richtung zum Objekt offenbart wird.
US 2017/0356983 A1 offenbart u.a. eine LIDAR-Vorrichtung für ein Fahrzeug, wobei dem von der Lichtquelle erzeugten optischen Signal ein zeitabhängiger Frequenzverlauf (insbesondere mit „up-chirp“ und „down-chirp“) unter Verwendung eines Modulators in Verbindung mit einem Signalform-Generator aufmoduliert wird.
WO 2017/205171 A1 offenbart u.a. eine LIDAR-Vorrichtung, in welcher eine Amplitudenmodulation der Einhüllenden des Lasersignals durchgeführt wird.
Zum weiteren Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf US 2016/0299228 A1 verwiesen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts bereitzustellen, welche auch für ein in vergleichsweise großer Entfernung (z.B. von mehreren 100m) befindliches bewegtes Objekt eine möglichst genaue und zuverlässige Abstandsmessung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts weist auf:

- eine erste Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz,
- eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts auf Basis eines aus dem Signal hervorgegangenen, an dem Objekt reflektierten Messsignals und eines nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignals, und
- ein dispersives Element, welches eine frequenzselektive Winkelverteilung des Messsignals bewirkt, wobei hierdurch erzeugte Teilsignale unter voneinander verschiedenen Winkeln zu dem Objekt gelenkt werden,
- wobei die Auswerteeinrichtung weiter zur Ermittlung einer Geschwindigkeit des Objekts auf Basis von jeweils zwei Differenzfrequenz-Bestimmungen zwischen jeweils einem an dem Objekt reflektierten Messsignal und einem nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignal ausgelegt ist, wobei die für diese beiden Differenzfrequenz-Bestimmungen herangezogenen Messsignale sich hinsichtlich der die jeweilige Zeitabhängigkeit ihrer Frequenz beschreibenden Funktion voneinander unterscheiden, und
- wobei die Vorrichtung zusätzlich zur ersten Lichtquelle eine zweite Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit in diskreten Schritten zeitlich variierender Frequenz aufweist.

Gemäß einer Ausführungsform unterscheiden sich die für diese beiden Differenzfrequenz-Bestimmungen herangezogenen Messsignale jeweils hinsichtlich ihrer Frequenz um maximal 10GHz, insbesondere um maximal 3GHz, voneinander.
Die Erfindung beinhaltet zunächst das Prinzip, in einer Vorrichtung zur Abstandsermittlung eines Objekts auf Basis des in 7a-7b dargestellten Aufbaus ein Abscannen des Objekts dadurch zu realisieren, dass im Signalweg noch vor dem Objekt über ein dispersives Element eine Winkelverteilung bzw. räumliche Verteilung der im von einer Lichtquelle ausgesandten optischen Signal vorhandenen, unterschiedlichen Frequenzen bewirkt wird, so dass diese Frequenzen (bzw. die die jeweiligen Frequenzen aufweisenden Teilstrahlen) mit unterschiedlichem Kipp bzw. unter unterschiedlichen Winkeln auf das Objekt gelenkt werden. Auf diese Weise wird effektiv ein Abscannen des Objekts erzielt, ohne dass hierzu bewegliche Komponenten wie Scan- bzw. Ablenkspiegel benötigt werden. Infolgedessen werden auch mit der Verwendung solcher beweglicher Komponenten typischerweise verbundene Probleme, insbesondere Ausfallrisiken und damit einhergehende Einschränkungen der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer der Vorrichtung, vermieden, und es wird ein besonders kompakter Aufbau ermöglicht.
Ausgehend von diesem (im Weiteren unter Bezugnahme auf 4-6 noch detaillierter beschriebenen) Prinzip geht die vorliegende Erfindung nun von der weiteren Überlegung aus, dass in Verbindung mit dem vorstehend beschriebenen Einsatz eines dispersiven Elements und der hierbei erfolgenden Übersetzung unterschiedlicher Frequenzen in eine Winkelverteilung des optischen Signals eine bei bewegten Objekten gebotene Berücksichtigung der Relativgeschwindigkeit des jeweiligen Objekts - insbesondere zur Kompensation des auftretenden Doppler-Effekts - nicht ohne Weiteres realisierbar ist: Denn bei Einsatz von besagtem dispersiven Element ist nicht etwa der komplette, anhand von 7b beschriebene Signalverlauf (mit zwei Abschnitten mit zueinander entgegengesetzter zeitlicher Ableitung der Frequenz) jeweils einem Ort bzw. Pixel auf dem jeweiligen Objekt, sondern aufgrund der über das dispersive Element erzielten Übersetzung des Frequenzverlaufs in eine Winkelverteilung bereits unterschiedlichen Winkeln und damit unterschiedlichen Positionen auf dem Objekt zugeordnet.
Von dieser Überlegung ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung nun das weitere Konzept zugrunde, eine Berücksichtigung des Dopplereffekts auch in Verbindung mit dem vorstehend beschriebenen Prinzip des Einsatzes eines dispersiven Elements (und damit der Übersetzung einer Frequenzverteilung in eine Winkelverteilung des optischen Signals und somit unterschiedliche Orte auf dem Objekt) dadurch zu realisieren, dass für den jeweils gleichen Frequenzbereich bzw. Objektort zwei Differenzfrequenz-Bestimmungen (d.h. zwei Bestimmungen der jeweiligen Differenz zwischen den Frequenzen eines Messsignals und eines Referenzsignals) durchgeführt werden, wobei sich diese Differenzfrequenz-Bestimmungen hinsichtlich der Signalform („Waveform“) des jeweiligen Messsignals bzw. der Zeitabhängigkeit der Frequenz des jeweiligen Messsignals (d.h. hinsichtlich des diese Zeitabhängigkeit beschreibenden funktionalen Zusammenhangs) voneinander unterscheiden.
Diese beiden Differenzfrequenz-Bestimmungen, welche für einen bestimmten Ort auf dem Objekt zusätzlich zur Abstandsermittlung auch die Dopplereffekt-Kompensation ermöglichen, erfolgen zwar grundsätzlich innerhalb eines eng begrenzten Frequenzfensters des jeweiligen Messsignals (was erforderlich ist, damit auch der über das dispersive optische Element „eingestellte“ Objektort für beide Messsignale übereinstimmt), aber bei jeweils unterschiedlicher Zeitabhängigkeit der Frequenz.
Gemäß der Erfindung weist die Vorrichtung zusätzlich zur ersten Lichtquelle eine zweite Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit in diskreten Schritten zeitlich variierender Frequenz auf. Dabei kann insbesondere die Frequenz bei dieser Variation in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen jeweils zeitlich konstant sein und zwischen diesen Zeitintervallen stufenweise variiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist von den für die beiden Differenzfrequenz-Bestimmungen jeweils herangezogenen Messsignalen das eine Messsignal der ersten Lichtquelle und das andere Messsignal der zweiten Lichtquelle zugeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist weiter von den für die beiden Differenzfrequenz-Bestimmungen jeweils herangezogenen Referenzsignalen das eine Referenzsignal der ersten Lichtquelle und das andere Referenzsignal der zweiten Lichtquelle zugeordnet.
In Ausführungsformen kann die erfindungsgemäße Durchführung von jeweils zwei Differenzfrequenz-Bestimmungen für ein- und denselben Ort auf dem Objekt dadurch realisiert werden, dass die zweite Lichtquelle für jeden vermessenen Objektort bzw. den zugehörigen Abschnitt im zeitabhängigen Frequenzverlauf des von der ersten Lichtquelle ausgesandten Messsignals (d.h. das jeweilige Zeitfenster) ein innerhalb dieses Zeitfensters in seiner Frequenz jeweils konstantes Signal aussendet, welches dann seinerseits für die Geschwindigkeitsermittlung bzw. Dopplereffekt-Kompensation herangezogen werden kann. Mit anderen Worten ist die zweite Lichtquelle derart ausgestaltet, dass die Frequenz dieser zweiten Lichtquelle bzw. des von dieser Lichtquelle ausgesandten Signals jeweils auf den gleichen mittleren Frequenzwert des von der ersten Lichtquelle ausgesandten Signals in dem jeweiligen Zeitfenster „springt“, damit die jeweiligen Signale von erster und zweiter Lichtquelle über das dispersive optische Element auch auf die gleiche Position am Objekt gelenkt werden. Im Ergebnis werden für jede vermessene Position auf dem Objekt zwei Differenzfrequenz-Bestimmungen realisiert, welche letztlich eine Dopplereffekt-Kompensation wie im Weiteren noch detaillierter beschriebenen ermöglichen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Speicher zum Speichern der jeweiligen zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmten Differenzfrequenzen für eine spätere Ermittlung der Geschwindigkeit des Objekts auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist das von der Lichtquelle ausgesandte optische Signal im zeitlichen Frequenzverlauf zwei Abschnitte mit zueinander entgegengesetzter zeitlicher Ableitung auf.
Gemäß einer Ausführungsform sind die für die beiden Differenzfrequenz-Bestimmungen jeweils herangezogenen Messsignale voneinander verschiedenen dieser beiden Abschnitte zugeordnet.
In Ausführungsformen der Erfindung kann die vorstehend genannte Durchführung von jeweils zwei Differenzfrequenz-Bestimmungen für ein- und denselben Ort auf dem Objekt dadurch realisiert werden, dass - wie im Weiteren noch detaillierter beschrieben - jeweils ein räumlich ausgedehnter Bereich auf dem Objekt zweifach abgescannt wird, und zwar einmal mit zeitlich ansteigenden Frequenzverlauf und einmal mit zeitlich abnehmendem bzw. zeitlich entgegengesetztem Frequenzverlauf. Die gemäß dieser Ausführungsform für die einzelnen Objektpositionen erhaltenen Werte für die Differenzfrequenz zwischen Messsignal und Referenzsignal für beide Scann-Vorgänge werden zunächst gesammelt und gespeichert, woraufhin im Nachhinein sowohl Abstand als auch Geschwindigkeit für jeden Ort bzw. jedes Pixel auf dem Objekt wie im Weiteren noch beschrieben berechnet werden können.
Die Erfindung betrifft weiter auch ein Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

- Aussenden, unter Verwendung einer Lichtquelle, eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz;
- Erzeugen, unter Verwendung eines dispersiven Elements, einer frequenzselektiven Winkelverteilung eines aus dem optischen Signal hervorgegangenen Messsignals, wobei hierdurch erzeugte Teilsignale unter voneinander verschiedenen Winkeln zu dem Objekt gelenkt werden;
- Ermitteln eines Abstandes des Objekts auf Basis des an dem Objekt reflektierten Messsignals und eines nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignals; und
- Ermitteln der Geschwindigkeit des Objekts auf Basis von jeweils zwei Differenzfrequenz-Bestimmungen zwischen jeweils einem an dem Objekt reflektierten Messsignal und einem nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignal, wobei die für diese beiden Differenzfrequenz-Bestimmungen herangezogenen Messsignale sich hinsichtlich der die jeweilige Zeitabhängigkeit ihrer Frequenz beschreibenden Funktion voneinander unterscheiden;
- wobei das Verfahren unter Verwendung einer Vorrichtung mit den zuvor beschriebenen Merkmalen durchgeführt wird.

Gemäß einer Ausführungsform unterscheiden sich die für diese beiden Differenzfrequenz-Bestimmungen herangezogenen Messsignale jeweils hinsichtlich ihrer Frequenz um maximal 10GHz, insbesondere um maximal 3GHz, voneinander.
Gemäß einer Ausführungsform wird während der Variation der Frequenz des von der Lichtquelle erzeugen optischen Signals ein räumlich ausgedehnter Objektbereich zweifach in zueinander entgegengesetzten Richtungen abgescannt.
Gemäß einer Ausführungsform werden die hierbei bestimmten Differenzfrequenzen für eine spätere Ermittlung der Geschwindigkeit des Objekts gespeichert.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Figurenliste
Es zeigen:

1-2 schematische Darstellungen zur Erläuterung des Aufbaus und der Funktionsweise einer Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts in einer ersten Ausführungsform;
3a-3b schematische Darstellungen zur Erläuterung des Aufbaus und der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform;
4-6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise eines in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorhandenen dispersiven Elements; und
7a-7b schematische Darstellung zur Erläuterung von Aufbau und Wirkungsweise einer herkömmlichen Vorrichtung zur Abstandsermittlung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Weiteren werden Aufbau und Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer beispielhaften Ausführungsform und insbesondere die Funktionsweise eines in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorhandenen dispersiven Elements unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung in 4 beschrieben.
Gemäß 4 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zunächst ausgehend von dem bereits anhand von 7a-7b beschriebenen, herkömmlichen Konzept eine Lichtquelle 410 zum Aussenden eines optischen Signals 411 mit zeitlich variierender Frequenz („chirp“) auf. Die Lichtquelle 410 kann lediglich beispielhaft eine (zentrale) Wellenlänge von 1550nm±100nm aufweisen. Weitere Wellenlängen bzw.
Bandbreiten (z.B. 910nm±50nm) sind ebenfalls möglich. Gemäß dem im oberen linken Teil von 4 eingezeichneten Diagramm weist das optische Signal 411 im Ausführungsbeispiel einen Frequenzverlauf mit linearer Zeitabhängigkeit auf. In Ausführungsformen der Erfindung können auch Abschnitte mit zueinander entgegengesetzter zeitlicher Ableitung der Frequenz analog zu 7b verwendet werden.
In ebenfalls zum herkömmlichen Konzept von 7a-7b analoger Weise erfolgt gemäß 4 eine Aufspaltung des von der Lichtquelle 410 ausgesandten Signals 411 z.B. über einen nicht dargestellten teildurchlässigen Spiegel. Von diesen Teilsignalen wird ein im Weiteren auch als „Messsignal“ 421 bezeichnetes Teilsignal über einen optischen Zirkulator 420 wie im Weiteren beschrieben auf ein hinsichtlich seines Abstandes von der Vorrichtung zu vermessendes Objekt 440 gelenkt, wohingegen das andere der beiden Teilsignale wie im Weiteren beschrieben als Referenzsignal 422 für die weitere Auswertung verwendet wird.
Gemäß 4 trifft ein (dem Messsignal 421 entsprechender) Strahl 401, welcher zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche Frequenzen f₁ , f₂ , f₃ , f₄ ,... aufweist, auf ein Dispersionselement 431, von welchem aus unterschiedliche Frequenzen (d.h. die jeweiligen Frequenzen aufweisende Teilstrahlen) in voneinander verschiedene Richtungen (entsprechend voneinander verschiedenen Winkeln ϕ₁ ϕ₂, ϕ₃, ϕ₄,...) zum Objekt 440 hin abgelenkt werden. Hierdurch wird effektiv ein Abscannen des Objekts 440 ohne Erfordernis beweglicher Komponenten wie Scan- oder Ablenkspiegel erzielt.
Gemäß 4 erfolgt in einem Koppler 445 die Zusammenführung der wie vorstehend beschrieben aus dem Messsignal 421 erzeugten Teilsignale 421a, 421b, 421c, 421d,... mit dem Referenzsignal 422 mit der Folge, dass die durch eine nachfolgende Detektoranordnung 450 erzeugten Detektorsignale jeweils - wie im rechten unteren Teil von 4 angedeutet - für die Differenzfrequenz zwischen der Frequenz des jeweiligen Teilsignals und der Frequenz des Referenzsignals charakteristisch sind. Dabei weisen in dem im rechten unteren Teil von 4 gezeigten Diagramm die Teilsignale 421a, 421b, 421c bzw. 421d jeweils die mittlere Frequenz f₁ , f₂ , f₃ bzw. f₄ auf. Im Ergebnis kann für jeden der Winkel ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃, ϕ₄,... das entsprechende Differenzsignal und damit wiederum der gesuchte Abstand des Objekts 440 ermittelt werden (welcher noch hinsichtlich des Dopplereffektes zu korrigieren ist).
5 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei zu 4 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „100“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. Gemäß 5 ist bezogen auf den Signalweg vor dem dispersiven Element 531 ein kollimierendes optisches Element 525 angeordnet, durch welches erforderlichenfalls ein möglichst kollimierter Strahlengang beim Auftreffen auf das dispersive Element sichergestellt werden kann.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei zu 4 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „200“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. Gemäß 6 ist zwischen dem dispersiven Element 631 und dem Objekt 640 ein optisches System vorgesehen. Dieses optische System erlaubt wie im Weiteren beschrieben eine Anpassung der jeweiligen Winkel, unter denen die durch frequenzselektive räumliche Aufteilung des Messsignals erzeugten Teilsignale zu dem Objekt 640 gelenkt werden. Gemäß 6 weist das optische System eine erste Linse 632 und eine zweite Linse 634 auf. Dabei ist das dispersive Element 631 in einer ersten Brennebene FP1 der ersten Linse 632 angeordnet. Des Weiteren entspricht eine Feldebene 633 des optischen Systems einer ersten Brennebene der zweiten Linse 634.
Gemäß 6 trifft ein (dem Messsignal 621 entsprechender) Strahl 601, welcher zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche Frequenzen f₁ , f₂ , f₃ , f₄ ,... aufweist, auf das Dispersionselement 631, von welchem aus unterschiedliche Frequenzen (d.h. die jeweiligen Frequenzen aufweisende Teilstrahlen) in voneinander verschiedene Richtungen (entsprechend voneinander verschiedenen Winkeln ϕ₁ ϕ₂, ϕ₃, ϕ₄,...) abgelenkt werden. Das Dispersionselement 631 befindet sich in der ersten Brennebene FP1 der ersten Linse 632, welche ein Feld in der Feldebene 633 erzeugt. Die die jeweils unterschiedlichen Frequenzen f₁ , f₂ , f₃ , f₄ ,... aufweisenden Teilstrahlen werden hierbei auf unterschiedliche Orte in der Feldebene 633 fokussiert. Die Feldebene 633 entspricht wiederum einer ersten Brennebene FP2 der zweiten Linse 634. Die von unterschiedlichen Orte in der Feldebene 633 ausgehenden Teilstrahlen werden durch die zweite Linse 634 wiederum in voneinander verschiedene Richtungen (entsprechend voneinander verschiedenen Winkeln θ₁ , θ₂ , θ₃ , θ₄ ,...) abgelenkt, welche wiederum unterschiedlichen Frequenzen f₁ , f₂ , f₃ , f₄ ,... entsprechen. Da diese jeweils unterschiedlichen Frequenzen f₁ , f₂ , f₃ , f₄ ,... entsprechenden Teilstrahlen zu unterschiedlichen Zeitpunkten auftreten (also die unterschiedlichen Orte in der Feldebene 633 zu unterschiedlichen Zeitpunkten leuchten), wird hierdurch wiederum effektiv ein Abscannen des Objekts 640 aus 6 erzielt.
Im Weiteren wird nun eine Ausführungsform zur zusätzlichen Berücksichtigung bzw. Kompensation des Dopplereffekts bei der Abstandsermittlung bewegter Objekte in Kombination mit dem vorstehend beschriebenen Einsatz eines dispersiven Elements unter Bezugnahme auf die schematischen Abbildungen in 1a-1b und 2 beschrieben.
Gemäß 1a weist hierzu ein von der Lichtquelle ausgesandtes optisches Signal einen zeitlichen Signalverlauf mit zwei Abschnitten von zueinander entgegengesetzter zeitlicher Ableitung der Frequenz auf. Im Unterschied zu dem anhand von 7a-7b eingangsbeschriebenen herkömmlichen Konzept bleibt jedoch nicht etwa für den gesamten skizzierten zeitlichen Signalverlauf der Objektort, auf welchen das optische Signal gelenkt wird, konstant, sondern die entsprechende zeitliche Frequenzänderung geht einher mit einer zeitlichen Variation des (Scan-) Winkels φ, unter welchem das Signal jeweils auf das Objekt gelenkt wird, wobei dieser „Winkelscan“ wie zuvor anhand von 4-6 beschrieben über das vorgesehene dispersive Element bewirkt wird.
Genauer erfolgt während der ansteigenden Flanke des zeitlichen Frequenzverlaufs gemäß 1a (von einer Anfangsfrequenz bis zu einer Endfrequenz) ein Abscannen eines räumlich ausgedehnten Bereichs auf dem Objekt in einer Richtung (z.B. „von links nach rechts“ bzw. von einem Anfangswinkel φ₀ bis zu einem Endwinkel φ_end ), woraufhin während der abfallenden Flanke des zeitlichen Frequenzverlaufs (von der Endfrequenz zurück zur Anfangsfrequenz) gemäß 1a der entsprechende Winkelscan in entgegengesetzter Richtung (d.h. vom Endwinkel φ_end bis zum Anfangswinkel φ₀ bzw. „von rechts nach links“) zurück verläuft.
Im Ergebnis kann so die Bestimmung der Differenzfrequenz zwischen der jeweiligen Frequenz des Messsignals und des Referenzsignals für jeden Scanwinkel φ bzw. den zugehörigen Objektort zweifach wie in 1a durch die beiden Doppelpfeile angedeutet erfolgen, wobei sich die beiden betreffenden Differenzfrequenz-Bestimmungen hinsichtlich der jeweiligen Signalform („Waveform“) bzw. der jeweils aktuell gültigen Zeitabhängigkeit der Frequenz des Messsignals (d.h. hinsichtlich der die jeweilige Zeitabhängigkeit ihrer Frequenz beschreibenden Funktion) voneinander unterscheiden. Diese Differenzfrequenzen sind im Weiteren mit f_{Diff_}φ_i,up (für die ansteigenden Flanke des zeitlichen Frequenzverlaufs) bzw. f_{Diff_}φ_i,down (für die abfallende Flanke des zeitlichen Frequenzverlaufs) bezeichnet.
Um die wie vorstehend beschrieben ermittelten Paare von Differenzfrequenzen für die einzelnen Scanwinkel bzw. Objektorte nun zur Dopplereffekt-kompensierten Abstandsermittlung zu nutzen, wird jede der besagten Differenzfrequenzen f_Diff nach der jeweiligen Bestimmung (mit einer auf einen Koppler 250 folgenden Detektoranordnung 260) zunächst in einem Speicher (in 2 mit „270“ bezeichnet) gespeichert und anschließend in einer Auswerteeinheit 280 verarbeitet. Für jeden Scanwinkel φ_i werden dann Abstand sowie Geschwindigkeit des Objekts gemäß den nachfolgenden Gleichungen berechnet: $Abstand (φ_{i}) = (c / (2k)) * (f_{Diff_} φ_{i, up} + f_{Diff_} φ_{i, down}) / 2$
$Geschwindigkeit (φ_{i}) = (λ / (2 cos θ)) * (f_{Diff_} φ_{i, up} - f_{Diff_} φ_{i, down}) / 2$
Dabei bezeichnet c die Lichtgeschwindigkeit, k die Chirp-Rate (d.h. die Rate der Frequenzänderung) und θ den Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor und θ die Blickrichtung (engl.: „sight of view“) der Messanordnung.
3a-3b dienen zur Erläuterung des Aufbaus und der Funktionsweise einer weiteren Ausführungsform zur Berücksichtigung bzw. Kompensation des Doppeleffekts bei der erfindungsgemäß Abstandsermittlung in Kombination mit dem in den Ausführungsformen von 4 bis 6 beschriebenen Einsatz eines dispersiven Elements.
In der Ausführungsform von 3a-3b erfolgt wiederum für die über besagtes dispersives Element erzeugte Scanwinkel bzw. Objektorte jeweils die Durchführung von jeweils zwei Differenzfrequenz-Bestimmungen, wobei ebenfalls analog zu 1a die den Paaren von Differenzfrequenz-Bestimmungen zugrundegelegten Signale sich in der Signalform („Waveform“) bzw. der jeweils aktuellen Zeitabhängigkeit der Frequenz voneinander unterscheiden. Im Unterschied zur Ausführungsform von 1a-1b wird jedoch hierzu gemäß 3a-3b eine zusätzliche Lichtquelle verwendet, wobei diese zweite Lichtquelle in 3a mit „350“ bezeichnet ist.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf 3b die von der ersten Lichtquelle 310 und der zweiten Lichtquelle 350 jeweils erzeugten Signale sowohl hinsichtlich ihrer Signalform bzw. Zeitabhängigkeit der Frequenz als auch ihrer Funktion erläutert:

Hierzu sind in 3b sowohl ein Zeitfenster 301 als auch ein Scanwinkel- bzw. Frequenzfenster 302 eingezeichnet, innerhalb derer jeweils zwei Differenzfrequenz-Bestimmungen durchgeführt werden: Mit „322“ und „321“ sind in 3b das jeweils von der ersten Lichtquelle 310 analog zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen erzeugte Referenzsignal bzw. erste Messsignal bezeichnet. Mit „352“ und „351“ sind das von der zweiten Lichtquelle 350 erzeugte Referenzsignal bzw. Messsignal bezeichnet. Innerhalb des Zeitfensters 301 sowie des Scanwinkel- bzw. Frequenzfensters 302 stehen gemäß 3b Signalabschnitte sowohl für das Referenz- bzw. Messsignal 322, 321 der ersten Lichtquelle 310 als auch für das Referenz- bzw. Messsignal 352, 351 der zweiten Lichtquelle 350 zur Auswertung zur Verfügung.

Das von der zweiten Lichtquelle 350 erzeugte Referenz- bzw. Messsignal 352, 351 ist dabei gemäß 3b derart beschaffen, dass die jeweilige Frequenz stufenweise in diskreten Stufen auf jeweils vorübergehend konstante Werte ansteigt bzw. „springt“, wobei der entsprechende Frequenzsprung wie in 3b angedeutet gerade auf die in dem jeweiligen Zeitfenster bzw. Scanwinkel-/Frequenzfenster aktuell gültige mittlere Frequenz des entsprechenden Signals der ersten Lichtquelle 310 stattfindet. Hierdurch wird erreicht, dass die erfindungsgemäß durchgeführten Paare von Differenzfrequenz-Bestimmungen auch tatsächlich immer für den gleichen Scanwinkel bzw. Objektort erfolgen, welcher entsprechend durch das vorhandene dispersive Element (in 3a mit „331“ bezeichnet) frequenzabhängig eingestellt wird.
Konkret wird gemäß 3b anhand der Differenzfrequenz-Bestimmung, welche für einen bestimmten Scanwinkel bzw. Objektort (z.B. im Fenster 301 bzw. 302) basierend auf dem Referenzsignal 322 bzw. den Messsignal 321 der ersten Lichtquelle 310 durchgeführt wird, der noch nicht im Hinblick auf den Dopplereffekt korrigierte Abstand des Objekts berechnet, wohingegen anhand der im gleichen Fenster 301 bzw. 302 für das Referenzsignal 352 bzw. Messsignal 351 der zweiten Lichtquelle 350 durchgeführten Differenzfrequenz-Bestimmung die Geschwindigkeit des Objekts ermittelt wird. Im Ergebnis kann auf Basis der erhaltenen Informationen das noch nicht im Hinblick auf den Dopplereffekt korrigierte Signal entsprechend transformiert werden, um den in Bezug auf den Dopplereffekt korrigierten Abstand des Objekts zu ermitteln.
3a zeigt den möglichen Messaufbau zur Realisierung der anhand von 3b beschriebenen Durchführung der erfindungsgemäßen Differenzfrequenz-Messungen. Dieser Aufbau geht von dem bereits anhand von 6 beschriebenen Aufbau aus, wobei im Vergleich zu 6 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „300“ verringerten Bezugsziffern bezeichnet sind.
Gemäß 3a werden sowohl das von der ersten Lichtquelle 310 erzeugte Signal als auch das von der zweiten Lichtquelle 350 erzeugte Signal über einen Signalkoppler 315 gekoppelt und einem optischen Zirkulator 320 zugeführt. Die entsprechenden Signale gelangen nach analog zu 6 am (in 3a nicht dargestellten) Objekt erfolgter Reflexion über den optischen Zirkulator 320 mit entsprechender Zeitverzögerung und veränderter Frequenz zurück zum optischen Zirkulator 320 und werden über eine Signalaufspaltungseinheit 325 separaten Signalkopplern 351, 352 zugeführt. Dabei erfolgt im Signalkoppler 351 die Zusammenführung von Messsignal und Referenzsignal der ersten Lichtquelle 310, und in dem zweiten Signalkoppler 352 erfolgt die Zusammenführung von Messsignal und Referenzsignal der zweiten Lichtquelle 350. Nachgeschaltet den Signalkopplern 351 und 352 sind entsprechende separate Detektoren 361, 362 zur Durchführung der entsprechenden, vorstehend anhand von 3b beschriebenen Differenzfrequenz-Bestimmungen.
Aus dem von dem Detektor 361 gelieferten Signal erfolgt wie vorstehend beschrieben die Berechnung des (noch nicht im Hinblick auf den Dopplereffekt korrigierten) Objektabstandes, wohingegen anhand des von dem Detektor 362 gelieferten Signal die Berechnung der Geschwindigkeit des Objekts erfolgt. Aus diesen Informationen wird in der Auswerteeinheit 370 der entsprechend im Hinblick auf den Dopplereffekt korrigierte Objektabstand berechnet.
Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.

Claims

Vorrichtung zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, mit • einer ersten Lichtquelle (210, 310) zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz; • einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts auf Basis eines aus dem Signal hervorgegangenen, an dem Objekt reflektierten Messsignals und eines nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignals; und • einem dispersiven Element (230, 334), welches eine frequenzselektive Winkelverteilung des Messsignals bewirkt, wobei hierdurch erzeugte Teilsignale unter voneinander verschiedenen Winkeln zu dem Objekt gelenkt werden; • wobei die Auswerteeinrichtung weiter zur Ermittlung einer Geschwindigkeit des Objekts auf Basis von jeweils zwei Differenzfrequenz-Bestimmungen zwischen jeweils einem an dem Objekt reflektierten Messsignal und einem nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignal ausgelegt ist, wobei die für diese beiden Differenzfrequenz-Bestimmungen herangezogenen Messsignale sich hinsichtlich der die jeweilige Zeitabhängigkeit ihrer Frequenz beschreibenden Funktion voneinander unterscheiden; und • wobei die Vorrichtung zusätzlich zur ersten Lichtquelle (310) eine zweite Lichtquelle (350) zum Aussenden eines optischen Signals mit in diskreten Schritten zeitlich variierender Frequenz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für diese beiden Differenzfrequenz-Bestimmungen herangezogenen Messsignale sich jeweils hinsichtlich ihrer Frequenz um maximal 10GHz, insbesondere um maximal 3GHz, voneinander unterscheiden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz bei der Variation des von der zweiten Lichtquelle (350) ausgesandten optischen Signals in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen jeweils zeitlich konstant ist und zwischen diesen Zeitintervallen stufenweise variiert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass von den für die beiden Differenzfrequenz-Bestimmungen jeweils herangezogenen Messsignalen das eine Messsignal der ersten Lichtquelle (310) und das andere Messsignal der zweiten Lichtquelle (350) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass von den für die beiden Differenzfrequenz-Bestimmungen jeweils herangezogenen Referenzsignalen das eine Referenzsignal der ersten Lichtquelle (310) und das andere Referenzsignal der zweiten Lichtquelle (350) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Speicher (270) zum Speichern der jeweiligen zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmten Differenzfrequenzen für eine spätere Ermittlung der Geschwindigkeit des Objekts aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das von der ersten Lichtquelle (210) ausgesandte optische Signal im zeitlichen Frequenzverlauf zwei Abschnitte mit zueinander entgegengesetzter zeitlicher Ableitung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die für die beiden Differenzfrequenz-Bestimmungen jeweils herangezogenen Messsignale voneinander verschiedenen dieser beiden Abschnitte zugeordnet sind.
Verfahren zur scannenden Abstandsermittlung eines Objekts, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: • Aussenden, unter Verwendung einer Lichtquelle (210, 310), eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz; • Erzeugen, unter Verwendung eines dispersiven Elements (230, 334), einer frequenzselektiven Winkelverteilung eines aus dem optischen Signal hervorgegangenen Messsignals, wobei hierdurch erzeugte Teilsignale unter voneinander verschiedenen Winkeln zu dem Objekt gelenkt werden; • Ermitteln eines Abstandes des Objekts auf Basis des an dem Objekt reflektierten Messsignals und eines nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignals; und • Ermitteln der Geschwindigkeit des Objekts auf Basis von jeweils zwei Differenzfrequenz-Bestimmungen zwischen jeweils einem an dem Objekt reflektierten Messsignal und einem nicht an dem Objekt reflektierten Referenzsignal, wobei die für diese beiden Differenzfrequenz-Bestimmungen herangezogenen Messsignale sich hinsichtlich der die jeweilige Zeitabhängigkeit ihrer Frequenz beschreibenden Funktion voneinander unterscheiden; • wobei das Verfahren unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die für diese beiden Differenzfrequenz-Bestimmungen herangezogenen Messsignale sich hinsichtlich ihrer Frequenz um maximal 10GHz, insbesondere um maximal 3GHz, voneinander unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass während der Variation der Frequenz des von der Lichtquelle erzeugen optischen Signals ein räumlich ausgedehnter Objektbereich zweifach in zueinander entgegengesetzten Richtungen abgescannt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die hierbei bestimmten Differenzfrequenzen für eine spätere Ermittlung der Geschwindigkeit des Objekts gespeichert werden.