DE102019107793A1

DE102019107793A1 - Optischer verstärker im rücklaufpfad eines kohärenten lidar-systems

Info

Publication number: DE102019107793A1
Application number: DE102019107793.1A
Authority: DE
Inventors: Scott Singer; Lute Maleki
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-04-03
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2019-10-10
Also published as: CN110346777B; US11073618B2; US20190302269A1; CN110346777A

Abstract

Ein kohärentes Lidarsystem beinhaltet eine Lichtquelle zum Ausgeben einer kontinuierlichen Welle und einen Modulator zum Modulieren einer Frequenz der kontinuierlichen Welle und zum Bereitstellen eines frequenzmodulierten Dauerstrichwellen-(FMCW)-Signal. Das System beinhaltet auch eine Öffnungslinse, um einen Empfangsstrahl zu erhalten, der aus einer Reflexion eines aus dem FMCW-Signal erhaltenen Ausgangssignals resultiert, und einen optischen Verstärker in einem Pfad des Empfangsstrahls, um einen verstärkten Empfangsstrahl auszugeben. Ein Verfahren zur Herstellung des Systems beinhaltet das Anordnen einer Lichtquelle zum Ausgeben einer kontinuierlichen Welle und das Anordnen von Elementen zum Modulieren der kontinuierlichen Welle und zum Bereitstellen des FMCW-Signals. Das Verfahren beinhaltet auch das Anordnen einer Öffnung, um einen Empfangsstrahl zu erhalten, der aus einer Reflexion eines aus dem FMCW-Signal erhaltenen Ausgangssignals resultiert, und das Anordnen eines optischen Verstärkers in einem Pfad des Empfangsstrahls, um einen verstärkten Empfangsstrahl auszugeben.

Description

EINLEITUNG
Der Gegenstand der Offenbarung bezieht sich auf einen optischen Verstärker im Rücklaufpfad eines kohärenten Lichterkennungs- und Entfernungssystems (Lidar).
Fahrzeuge (z. B. Automobile, Lastkraftwagen, Baumaschinen, landwirtschaftliche Ausrüstung, automatisierte Fabrikeinrichtungen) beinhalten zunehmend Sensoren, die Informationen über den Fahrzeugbetrieb und die Umgebung um das Fahrzeug herum erhalten. Einige Sensoren, wie beispielsweise Kameras, Funk- und Entfernungsmess-(Radar)-Systeme sowie Licht- und Entfernungsmess-(Lidar)-Systeme, können Objekte in der Umgebung des Fahrzeugs erkennen und verfolgen. Durch das Bestimmen der relativen Position und Richtung von Objekten um das Fahrzeug herum kann der Fahrzeugbetrieb erweitert oder automatisiert werden, um die Sicherheit und Leistung zu verbessern. So können beispielsweise Sensorinformationen verwendet werden, um den Fahrer des Fahrzeugs zu warnen oder um Fahrzeugsysteme zu bedienen (z. B. Kollisionsvermeidungssysteme, adaptives Geschwindigkeitsregelsystem, autonomes Antriebssystem). Typische Lidarsysteme sind Time-of-Flight-Systeme, die erfordern, dass jede Verstärkung der reflektierten Signale elektronisch mit Detektoren, wie beispielsweise Lawinenphotodioden, elektronischen Hochgeschwindigkeitsverstärkern und dergleichen, durchgeführt wird. Die elektronische Verstärkung erhöht jedoch das Rauschen und verschlechtert das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). In Time-of-Flight-Systemen verstärkt die optische Verstärkung auch notwendigerweise den Hintergrund oder störende Lichtquellen. Im Gegensatz dazu werden in kohärenten Lidarsystemen, Lidare mit frequenzmodulierten kontinuierlichen Wellen (FMCW) verwendet, wobei derartige parasitäre Lichtwerte durch eine kohärente Kombination aus dem reflektierten Signal und einem lokalen Quellsignal gefiltert werden. Dementsprechend ist es wünschenswert, einen optischen Verstärker im Rücklaufpfad eines kohärenten Lidarsystems vorzusehen.
KURZDARSTELLUNG
In einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein kohärentes Lidarsystem eine Lichtquelle zum Ausgeben einer kontinuierlichen Welle und einen Modulator zum Modulieren einer Frequenz der kontinuierlichen Welle und zum Bereitstellen eines frequenzmodulierten Dauerstrichwellensignals (FMCW-Signal). Das System beinhaltet auch eine Öffnungslinse, um einen Empfangsstrahl zu erhalten, der aus einer Reflexion eines aus dem FMCW-Signal erhaltenen Ausgangssignals resultiert, und einen optischen Verstärker in einem Pfad des Empfangsstrahls, um einen verstärkten Empfangsstrahl auszugeben.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das System auch einen zweiten optischen Verstärker, der konfiguriert ist, um das vom Modulator bereitgestellte FMCW-Signal zu verstärken.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale, beinhaltet der Modulator einen Resonator.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale legt der Modulator eine kontrollierte Spannung an den Resonator an, sodass die Modulation der kontrollierten Spannung zu einer Modulation der Dauerstrichfrequenz führt.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das System auch einen Strahlteiler, der konfiguriert ist, um das FMCW-Signal in das Ausgangssignal und ein Lokaloszillator-(LO)-Signal aufzuteilen.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das System auch ein Ausrichtungselement, das konfiguriert ist, um das LO-Signal und den verstärkten Empfangsstrahl so auszurichten, dass ein kolineares Signal erzeugt wird.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das System auch einen oder mehrere Photodetektoren, um ein Interferenzergebnis basierend auf einer Interferenz zwischen dem LO-Signal und dem verstärkten Empfangsstrahl im kolinearen Signal zu erhalten.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist das Lidarsystem ein monostatisches System.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das System auch einen Zirkulator, der konfiguriert ist, um das Ausgangssignal auf die Öffnungslinse und den Empfangsstrahl auf den optischen Verstärker zu richten.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale befindet sich das Lidarsystem innerhalb oder an einem Fahrzeug und ist konfiguriert, um eine Position und Geschwindigkeit eines Objekts in Bezug auf das Fahrzeug zu erfassen.
In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Zusammenbauen eines kohärenten Lidarsystems das Anordnen einer Lichtquelle, um eine kontinuierliche Welle auszugeben, und das Anordnen von Elementen, um die kontinuierliche Welle zu modulieren und ein frequenzmoduliertes Dauerstrichwellensignal (FMCW-Signal) bereitzustellen. Das Verfahren beinhaltet auch das Anordnen einer Öffnungslinse, um einen Empfangsstrahl zu erhalten, der aus einer Reflexion eines aus dem FMCW-Signal erhaltenen Ausgangssignals resultiert, und das Anordnen eines optischen Verstärkers in einem Pfad des Empfangsstrahls, um einen verstärkten Empfangsstrahl auszugeben.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das Verfahren auch das Anordnen eines zweiten optischen Verstärkers zum Verstärken des von den Elementen bereitgestellten FMCW-Signals.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das Anordnen der Elemente zur Modulation der Dauerstrichwelle das Anordnen eines Resonators an einem Ausgang der Lichtquelle.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das Anordnen der Elemente zum Modulieren der Dauerstrichwelle auch das Anlegen einer kontrollierten Spannung an den Resonator, sodass die Modulation der kontrollierten Spannung zu einer Modulation der Frequenz der Dauerstrichwelle führt.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das Verfahren auch das Anordnen eines Strahlteilers zum Aufteilen des FMCW-Signals in das Ausgangssignal und ein Lokaloszillator-(LO)-Signal, das Anordnen eines Ausrichtungselements zum Erleichtern der Ausrichtung des LO-Signals und des verstärkten Empfangsstrahls und zum Ausgeben eines kolinearen Signals sowie das Anordnen eines oder mehrerer Photodetektoren zum Empfangen des kolinearen Signals und zum Erleichtern der Interferenz zwischen dem LO-Signal und dem verstärkten Empfangsstrahl.
In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug ein kohärentes Lidarsystem, das eine Lichtquelle zum Ausgeben einer kontinuierlichen Welle und einen Modulator zum Modulieren einer Frequenz der kontinuierlichen Welle und zum Bereitstellen eines frequenzmodulierten Dauerstrichwellen-(FMCW)-Signals beinhaltet. Das kohärente Lidarsystem beinhaltet auch eine Öffnungslinse, um einen Empfangsstrahl zu erhalten, der aus einer Reflexion eines aus dem FMCW-Signal erhaltenen Ausgangssignals resultiert, und einen optischen Verstärker in einem Pfad des Empfangsstrahls, um einen verstärkten Empfangsstrahl auszugeben. Das Fahrzeug beinhaltet auch eine Steuerung zur Erweiterung oder Automatisierung des Betriebs des Fahrzeugs basierend auf Informationen vom kohärenten Lidarsystem.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das kohärente Lidarsystem auch einen zweiten optischen Verstärker zur Verstärkung des vom Modulator bereitgestellten FMCW-Signals.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale, beinhaltet der Modulator einen Resonator.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale legt der Modulator auch eine kontrollierte Spannung an den Resonator an, sodass die Modulation der kontrollierten Spannung zu einer Modulation der Dauerstrichfrequenz führt.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das kohärente Lidarsystem auch einen Strahlteiler, der konfiguriert ist, um das FMCW-Signal in das Ausgangssignal und ein Lokaloszillator-(LO)-Signal aufzuteilen.
Die oben genannten Eigenschaften und Vorteile sowie anderen Eigenschaften und Funktionen der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ohne Weiteres hervor.
Figurenliste
Andere Eigenschaften, Vorteile und Details erscheinen, nur exemplarisch, in der folgenden ausführlichen Beschreibung der ausführlichen Beschreibung, welche sich auf die folgenden Zeichnungen bezieht:

1 ist ein Blockdiagramm eines Szenarios, das einen optischen Verstärker in den Rücklaufpfad eines kohärenten Lidarsystems gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen einbezieht;
2 ist ein Blockdiagramm, in dem das Lidarsystem mit einem optischen Verstärker im Rücklaufpfad des Lidarsystems gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen detailliert dargestellt ist;
3 ist ein Blockdiagramm, in dem das Lidarsystem mit einem optischen Verstärker im Rücklaufpfad des Lidarsystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ausführlich dargestellt wird;
4 verdeutlicht die optionale Formgebungsoptik, die gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen in den optischen Verstärker integriert werden kann; und
5 ist ein Prozessablauf eines Verfahrens zum Zusammenbauen eines kohärenten Lidarsystems mit einem optischen Verstärker im Rücklaufpfad gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung in ihren An- oder Verwendungen zu beschränken. Es sollte verstanden werden, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
Wie bereits erwähnt, kann ein Lidarsystem einer von mehreren Sensoren sein, die Informationen zur Erweiterung oder Automatisierung des Fahrzeugbetriebs bereitstellen. Herkömmliche Lidarsysteme beinhalten das Übertragen einer Reihe von Lichtimpulsen. Die Laufzeit eines gegebenen Impulses (d. h. die Zeit zwischen dem Senden des Impulses und dem Empfangen eines reflektierten Impulses, der durch Reflexion an einem Ziel entsteht) zeigt die Entfernung zum Ziel an. Diese mit einer Reihe von Impulsen erhaltenen Laufzeitinformationen können Sollgeschwindigkeit und Fahrtrichtung anzeigen. Diese Art von Lidarsystem erfordert, dass die Reflexion für die Laufzeitbestimmung ungestört ist. Somit ist jede Verstärkung eine Nacherfassungsverstärkung (d. h. nach dem optischen Detektor) und verwendet elektronische Verstärker. Darüber hinaus ist diese Art von Lidarsystem anfällig dafür, dass Licht aus einer anderen Quelle mit einer Reflexion verwechselt wird.
Gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen ist das Lidarsystem ein kohärentes System und basiert auf der Übertragung von FMCW-Signalen und der Phasenkohärenz zwischen einem von der Lichtquelle ausgegebenen Quellsignal, auch als Lokaloszillator (LO) bezeichnet, und dem resultierenden Rücklaufsignal, das von einem Ziel reflektiert wird, das vom Quellsignal zeitverzögert ist. Die optische Interferenz zwischen diesen beiden Signalen führt zu einer Schwebungsfrequenz, die dieser Zeitverzögerung entspricht, welche die Entfernung zum Ziel und die Geschwindigkeit des Ziels anzeigt. Die Frequenz des von der Lichtquelle erzeugten Lichts kann linear über das FMCW-Signal erhöht oder verringert werden. Unter Verwendung einer Kombination aus zunehmenden und abnehmenden Modulationen kann eine Dreieckswelle als FMCW-Quellsignal erzeugt werden. Die Frequenzen einer Reflexion, die sich aus der Übertragung des FMCW-Signals ergeben, zeigen nicht nur den Zielbereich, der das FMCW-Signal reflektiert, sondern auch die Zielgeschwindigkeit an. Weiterhin kann Licht von einer anderen Quelle nicht mit einer Reflexion verwechselt werden, da die Phasenlage mit dem von der Lichtquelle ausgegebenen Quellsignal nicht übereinstimmt.
Darüber hinaus beinhaltet das kohärente Lidarsystem gemäß den Ausführungsformen der hierin beschriebenen Systeme und Verfahren einen optischen Verstärker im Rücklaufpfad. Das heißt, die Reflexion kann vor dem Erfassen durch einen oder mehrere optische Detektoren und der Verarbeitung optisch verstärkt werden, ohne die interessierenden Eigenschaften zu verfälschen. Das FMCW-Signal, das sich aus der Interferenz zwischen dem Quellsignal und der Reflexion ergibt, ist proportional zum geometrischen Mittelwert aus der Quellsignalleistung und der reflektierten Signalleistung, wobei der Rauschabstand jedoch durch das elektronische Rauschen des Detektionssystems einschließlich der optischen Detektoren und der elektronischen Verstärker begrenzt wird. Somit erhöht die optische Verstärkung des Rücklaufsignals das FMCW-Signal, ohne auch das Rauschen zu verstärken, und verbessert dadurch das SNR. Die optischen Verstärker auf Chip-Halbleiterbasis können gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen im Hochfrequenzbereich (RF) ohne Abschirmung betrieben werden, um die Empfindlichkeit gegenüber HF-Rauschen von anderen Quellen zu verhindern.
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform ist 1 ein Blockdiagramm eines Szenarios, das einen optischen Verstärker im Rücklaufpfad eines kohärenten Lidarsystems 110 beinhaltet. Das in 1 dargestellte Fahrzeug 100 ist ein Kraftfahrzeug 101. Ein kohärentes Lidarsystem 110 mit einem optischen Verstärker im Rücklaufpfad, wie in Bezug auf 2 näher beschrieben, ist auf dem Dach des Automobils 101 dargestellt. Gemäß alternativen oder zusätzlichen Ausführungsformen können sich ein oder mehrere Lidarsysteme 110 an anderer Stelle im Fahrzeug 100 befinden. Ein weiterer Sensor 115 (z. B. Kamera, Mikrofon, Radarsystem) ist ebenfalls dargestellt. Informationen, die durch das Lidarsystem 110 und einen oder mehrere andere Sensoren 115 erhalten werden, können einer Steuerung 120 (z. B. einer elektronischen Steuereinheit (ECU)) bereitgestellt werden.
Die Steuerung 120 kann die Informationen zum Steuern eines oder mehrerer Fahrzeugsysteme 130 verwenden. In einer exemplarischen Ausführungsform kann das Fahrzeug 100 ein autonomes Fahrzeug sein und die Steuerung 120 kann bekannte Fahrzeugbetriebssteuerungsvorgänge unter Verwendung von Informationen vom Lidarsystem 110 und anderen Quellen durchführen. In alternativen Ausführungsformen kann die Steuerung 120 den Fahrzeugbetrieb unter Verwendung von Informationen vom Lidarsystem 110 und anderen Quellen als Teil eines bekannten Systems (z. B. Kollisionsvermeidungssystem, adaptives Geschwindigkeitsregelungssystem) erweitern. Das Lidarsystem 110 und ein oder mehrere andere Sensoren 115 können verwendet werden, um Objekte 140 zu erkennen, wie beispielsweise den Fußgänger 145, der in 1 dargestellt ist. Die Steuerung 120 kann eine Verarbeitungsschaltung beinhalten, die eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Hardware-Computerprozessor (gemeinsam genutzte oder dedizierte oder Gruppe) und einen Speicher beinhalten kann, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
2 ist ein Blockdiagramm, welches das Lidarsystem 110 mit einem optischen Verstärker 260 im Rücklaufpfad des Lidarsystems 110 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt. Ein monostatisches Lidarsystem 110, bei dem sich Sende- und Empfangswege die gleiche Öffnungslinse 252 (z. B. monozentrisches Objektiv) teilen, ist dargestellt. In alternativen Ausführungsformen kann das Lidarsystem 110 stattdessen bistatisch sein und eine andere Öffnungslinse 252 für die Lichtübertragung und das Empfangen der resultierenden Reflexionen beinhalten, wie in 3 dargestellt. Das Lidarsystem 110 beinhaltet eine Lichtquelle 210. Die Lichtquelle 210 kann eine Laserdiode, wie beispielsweise ein DFB-Laser (Laser mit verteilter Rückkopplung), gemäß einer exemplarischen Ausführungsform sein. Die Lichtquelle 210 gibt eine kontinuierliche Lichtwelle aus, die eine konstante Amplitude aufweist. Die nächste Stufe des Lichtausgabesystems beinhaltet einen optischen Resonator 220.
Der Resonator 220 ist ein externer optischer Hohlraum außerhalb der Lichtquelle 210 befindet, gemäß der in 2 dargestellten exemplarischen Ausführungsform wird eine gesteuerte Spannung 225 von einer Spannungsquelle an den Resonator 220 angelegt, um eine elektrooptische Modulation durchzuführen und die Frequenz der kontinuierlichen Lichtwelle im Resonator 220 zu modulieren, um FMCW-Licht 227 zu erzeugen. Gemäß der exemplarischen Ausführungsform bedeutet die Rückkopplung von einigem Licht vom Resonator 220 zur Lichtquelle 210, dass das innerhalb der Lichtquelle 210 erzeugte Licht und das vom Resonator 220 ausgegebene Licht synchron moduliert werden. Die kontrollierte Spannung 225 kann linear erhöht oder verringert werden, um Licht zu erzeugen, das eine lineare Frequenzmodulation (d. h. ein lineares FMCW-Signal) aufweist. Alternativ kann die kontrollierte Spannung 225 nichtlinear variiert werden, um Licht zu erzeugen, das eine nichtlineare Frequenzmodulation aufweist.
Gemäß alternativen Ausführungsformen kann das FMCW-Licht 227 durch Modulation der Frequenz an der Lichtquelle 210 selbst erhalten werden. In diesem Fall kann die an den Resonator 220 angelegte kontrollierte Spannung 225, wie in 2 dargestellt, direkt auf Block 210 angewendet werden. So kann beispielsweise der Vorspannungsstrom des Laserchips verändert oder ein physikalischer Hohlraum oder Spiegel der Lichtquelle 210 moduliert werden. Diese Modulation kann beispielsweise durch piezoelektrische oder mikroelektromechanische Systeme (MEMS) implementiert werden. Wie in 2 angezeigt, kann ein optionaler optischer Verstärker 230 verwendet werden, um das vom Resonator 220 ausgegebene FMCW-Licht 227 zu verstärken und das FMCW-Signal 235 zu erzeugen.
Ein Strahlteiler 240 wird verwendet, um das FMCW-Signal 235 in ein Ausgabesignal 236 und ein Lokaloszillator(LO)-Signal 237 aufzuteilen. Sowohl das Ausgabesignal 236 als auch das LO-Signal 237 zeigen die Frequenzmodulation, die durch die kontrollierte Spannung 225 oder einen anderen Modulator übermittelt wird. Der Strahlteiler 240 kann beispielsweise ein On-Chip-Wellenleiterteiler sein. Das Ausgabesignal 236 wird einem lichtzirkulierenden Element, wie beispielsweise einem Umlenker 250, bereitgestellt, das in dem in 2 dargestellten monostatischen System erforderlich ist, um die Verwendung derselben Öffnungslinse 252 sowohl für den Sende- als auch für den Empfangspfad zu erleichtern. Der Umlenker 250 leitet das Ausgabesignal 236 aus dem Lidarsystem 110 durch eine Öffnungslinse 252. Wie 3 anzeigt, ist in einem bistatischen System der Umlenker 250 nicht erforderlich, jedoch wird eine zweite Öffnungslinse 252 verwendet, sodass das Ausgabesignal 236 und der Empfangsstrahl 238 nicht die gleiche Öffnungslinse 252 teilen.
Wie 3 ebenfalls anzeigt, kann eine Strahllenkungsvorrichtung 310 zwischen dem Umlenker 250 und der Öffnungslinse 252 verwendet werden, um beispielsweise das Ausgangssignal 236 zu steuern und über ein bestimmtes Sichtfeld abtasten. Die Lenkvorrichtung 310 wird ferner unter Bezugnahme auf 3 erläutert, kann aber auch mit einem monostatischen System verwendet werden. Wenn sich ein Ziel 140 im Sichtfeld des Lidarsystems 110 befindet, wie im Beispiel in 2 dargestellt, wird das durch den Umlenker 250 über die Öffnungslinse 252 ausgegebene Ausgangssignal 236 durch das Ziel 140 gestreut. Ein Teil dieses gestreuten Lichts gelangt als Empfangsstrahl 238 in das Lidarsystem 110. Der Empfangsstrahl 238 wird durch den Umlenker 250 auf einen Reflektor 255 gerichtet. Der Reflektor 255 leitet den Empfangsstrahl 238 entsprechend einer oder mehrerer Ausführungsformen auf einen optischen Verstärker 260.
Obwohl der optische Verstärker 260 zwischen dem Reflektor 255 und einem Ausrichtelement 270 in 2 dargestellt ist, kann der optische Verstärker stattdessen zwischen dem Umlenker 250 und dem Reflektor 255 entlang des als A angegebenen Weges positioniert sein. Gemäß exemplarischen Ausführungsformen kann der optische Verstärker 260 Koppellinsen beinhalten, um den Empfangsstrahl 238 ohne Verlust in den optischen Verstärker 260 zu leiten. Der optische Verstärker 260 kann auch eine Formungsoptik beinhalten, um zu gewährleisten, dass der vom optischen Verstärker 260 bereitgestellte verstärkte Empfangsstrahl 265 das richtige Profil aufweist. Diese optionalen Zusatzelemente werden unter Bezugnahme auf 4 näher erläutert. Wie bereits erwähnt, kann sich dieser optische Verstärker 260 in einem Time-of-Flight-Lidarsystem nicht im Weg des Empfangsstrahls 238 befinden, wie in 2 dargestellt.
Der verstärkte Empfangsstrahl 265 wird dem Ausrichtelement 270 bereitgestellt, in dem der verstärkte Empfangsstrahl 265 mit dem LO-Signal 237 ausgerichtet ist. Das Ausrichtelement 270 stellt sicher, dass der verstärkte Empfangsstrahl 265 und das LO-Signal 237 kolinear sind und teilt die Ausgabe in zwei kolineare Signale 272a, 272b (allgemein als 272 bezeichnet). Die kolinearen Signale 272a, 272b sind jeweils auf die Photodetektoren 280a, 280b (allgemein als 280 bezeichnet) gerichtet. Wie 2 anzeigt, wird eines der kolinearen Signale 272a von einem Reflektor 275 reflektiert, um in den entsprechenden Photodetektor 280a geleitet zu werden. Der verstärkte Empfangsstrahl 265 und das LO-Signal 237, die in den kolinearen Signalen 272 ausgerichtet sind, stören einander in den Fotodetektoren 280 gegenseitig. Die Interferenz zwischen dem verstärkten Empfangsstrahl 265 und dem LO-Signal 237 führt zu einer kohärenten Kombination der beiden Strahlen. Daher wird das Lidarsystem 110 im Gegensatz zu den Time-of-Flight-Systemen als kohärentes Lidarsystem bezeichnet. Die Interferenz in jedem Fotodetektor 280 stellt eine Autokorrelationsfunktion dar, um einen verstärkten Empfangsstrahl 265 zu identifizieren, der sich zuvor aus dem Ausgabesignal 236 ergeben hatte. Dadurch wird verhindert, dass fehlgeleitetes Licht von einer anderen Lichtquelle außerhalb des Lidarsystems 110, das sich im Sichtfeld des Lidarsystems 110 befindet, mit einem Empfangsstrahl 238 verwechselt wird, der von einem Ziel 140 reflektiert wird.
Die Fotodetektoren 280 sind Halbleitervorrichtungen, die das Ergebnis der Interferenz zwischen dem verstärkten Empfangsstrahl 265 und dem LO-Signal 237 in jedem kolinearen Signal 272 in elektrische Ströme 285a, 285b (allgemein als 285 bezeichnet) umwandeln. Zwei Fotodetektoren 280 werden in Übereinstimmung mit einer bekannten symmetrischen Detektortechnik verwendet, um das Rauschen zu unterdrücken, das beiden Fotodetektoren 280 gemeinsam ist. Die elektrischen Ströme 285 von jedem der Fotodetektoren 280 werden kombiniert und verarbeitet, um Informationen wie Reichweite zum Ziel 140, Geschwindigkeit des Ziels 140 und andere Informationen gemäß bekannten Verarbeitungstechniken zu erhalten. Die Verarbeitung kann beispielsweise innerhalb des Lidarsystems 110 durch einen Prozessor 290 oder außerhalb des Lidarsystems 110 durch die Steuerung 120 durchgeführt werden. Der Prozessor 290 kann eine Verarbeitungsschaltung beinhalten, die der für die Steuerung 120 erörterten ähnlich ist.
3 ist ein Blockdiagramm, welches das Lidarsystem 110 mit einem optischen Verstärker 260 im Rücklaufpfad des Lidarsystems 110 gemäß alternativ einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt. Ein bistatisches Lidarsystem 110, das getrennte Sende- und Empfangsobjektive 252 beinhaltet, ist dargestellt. Der größte Teil des bistatischen Lidarsystems 110, dargestellt in 3, ist mit dem monostatischen Lidarsystem 110, dargestellt in 2, identisch. Die mit Bezug auf 2 detaillierten Komponenten werden daher nicht noch einmal erläutert. Wie bereits erwähnt, besteht der Hauptunterschied zwischen dem monostatischen und dem bistatischen System darin, dass im bistatischen System separate Öffnungslinsen 252a, 252b (allgemein als 252 bezeichnet) für das Ausgangssignal 236 und den Empfangsstrahl 238 verwendet werden. In 3 ist die Lenkvorrichtung 310a, 310b (allgemein als 310 bezeichnet) dargestellt. Die Lenkvorrichtung 310a befindet sich im Übertragungsweg und die Lenkvorrichtung 310b befindet sich im Empfangsweg. Wie bereits erwähnt, kann auch in der in 2 dargestellten monostatischen Ausführungsform eine Lenkvorrichtung 310 zwischen dem Umlenker 250 und der Öffnungslinse 252 vorgesehen sein. Die Lenkvorrichtungen 310 können Reflektoren (z. B. MEMS-Abtastspiegel) sein.
4 verdeutlicht die optionale Formgebungsoptik, die gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen in den optischen Verstärker 260 integriert werden kann. Eine Koppellinse 410 würde den Durchmesser des ankommenden Empfangsstrahls 238 reduzieren. Wenn beispielsweise der Empfangsstrahl 238 einen Durchmesser in der Größenordnung von 1 Millimeter (mm) aufweisen würde, kann die Koppellinse 410 diesen auf die Größenordnung von Mikron reduzieren, um den Empfangsstrahl 238 durch den optischen Verstärker 260 zu leiten. Auf der anderen Seite des optischen Verstärkers 260 stellt eine Kollimatorlinse 420 den Durchmesser des verstärkten Empfangsstrahls 265 wieder her. Ein anamorphes Prismenpaar 430 gewährleistet eine gewünschte Form für den Querschnitt des verstärkten Empfangsstrahls 265. So weist beispielsweise der verstärkte Empfangsstrahl 265 in der in 4 dargestellten exemplarischen Ausführungsform eine kreisförmige Querschnittsform auf.
5 ist ein Prozessablauf eines Verfahrens zum Zusammenbauen eines kohärenten Lidarsystems 110 mit einem optischen Verstärker 260 im Rücklaufpfad gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Bei Block 510 beinhaltet die Anordnung einer Lichtquelle 210 zur Ausgabe einer kontinuierlichen Welle die Anordnung eines Lasers, wie beispielsweise eines DFB-Lasers, gemäß einer exemplarischen Ausführungsform. Bei Block 520 beinhaltet das Verfahren das Anordnen von Elementen am Ausgang der Lichtquelle 210, um ein FMCW-Signal 235 an einen Strahlteiler 240 bereitzustellen. Die Elemente können den Resonator 220 und die kontrollierte Spannung 225 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform beinhalten. Optional können die Elemente auch den optischen Verstärker 230 beinhalten. Das Anordnen des Strahlstrahlers 240 zum Erzeugen des Ausgangssignals 236 und des LO-Signals 237 bei Block 530 beinhaltet die FMCW-Leuchte 227 oder, wenn der optische Verstärker 230 verwendet wird, das FMCW-Signal 235, das in den Strahlteiler 240 eingegeben wird.
Bei Block 540 bezieht sich das Anordnen einer oder mehrerer Öffnungslinsen 252 zum Übertragen des Ausgangssignals 236 und zum Erhalten des Empfangsstrahls 238 auf die Tatsache, dass eine Öffnungslinse 252 in einem monostatischen System verwendet werden kann, während eine separate Sende- und Empfangsöffnungslinse 252 in einem bistatischen System verwendet werden kann. Somit beinhaltet das Verfahren bei Block 540 im exemplarischen Fall eines monostatischen Systems das Anordnen eines Umlenkers 250, um das Ausgangssignal 236 aus dem Lidarsystem 110 zu leiten und den Empfangsstrahl 238 auf den Empfangspfad des Lidarsystems 110 zu richten. Darüber hinaus kann der Prozess bei Block 540 das Anordnen einer oder mehrerer Lenkvorrichtungen 310 beinhalten, sodass sich eine Strahllenkungsvorrichtung 310 im Weg des Ausgangssignals 236 und des Empfangsstrahls 238 befindet. Das Anordnen eines optischen Verstärkers 260 zwischen der Öffnungslinse 252 und dem Ausrichtelement 270, das konfiguriert ist, um kollineare Signale 272 bei Block 550 auszugeben, bezieht sich auf das Anordnen des optischen Verstärkers 260 entlang des in 2 als A angegebenen Weges oder zwischen einem Reflektor 255 und dem Ausrichtelement 270, wie beispielsweise in 2 dargestellt. Bei Block 560 beinhaltet das Verfahren das Anordnen von Photodetektoren 280 und einem Prozessor 120, 290 zum Erfassen und Verarbeiten der kolinearen Signale 272, wie unter Bezugnahme auf 2 erläutert.
Während die vorstehende Offenbarung mit Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass unterschiedliche Änderungen vorgenommen und die einzelnen Teile durch entsprechende andere Teile ausgetauscht werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Materialsituation an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher ist beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die ermittelten offenbarten Ausführungsformen eingeschränkt ist, sondern alle Ausführungsformen beinhaltet, die in ihren Schutzumfang fallen.

Claims

Kohärentes Lidarsystem, umfassend: eine Lichtquelle, die konfiguriert ist, um eine kontinuierliche Welle auszugeben; einen Modulator, der konfiguriert ist, um eine Frequenz der kontinuierlichen Welle zu modulieren und ein frequenzmoduliertes Dauerstrichwellensignal (FMCW-Signal) bereitzustellen; eine Öffnungslinse, die konfiguriert ist, um einen Empfangsstrahl zu erhalten, der sich aus einer Reflexion eines aus dem FMCW-Signal erhaltenen Ausgabesignals ergibt; und einen optischen Verstärker in einem Weg des Empfangsstrahls, der konfiguriert ist, um einen verstärkten Empfangsstrahl auszugeben.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen zweiten optischen Verstärker, der konfiguriert ist, um das vom Modulator bereitgestellte FMCW-Signal zu verstärken.
System nach Anspruch 1, worin der Modulator einen Resonator beinhaltet und der Modulator ferner konfiguriert ist, um eine kontrollierte Spannung an den Resonator anzulegen, sodass die Modulation der kontrollierten Spannung eine Modulation der Frequenz der kontinuierlichen Welle bewirkt.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Strahlteiler, der konfiguriert ist, um das FMCW-Signal in das Ausgabesignal und ein Lokaloszillator-(LO)-Signal aufzuteilen, ein Ausrichtelement, das konfiguriert ist, um das LO-Signal und den verstärkten Empfangsstrahl auszurichten, um ein kolineares Signal zu erzeugen, und einen oder mehrere Photodetektoren, um ein Interferenzergebnis basierend auf einer Interferenz zwischen dem LO-Signal und dem verstärkten Empfangsstrahl in dem kolinearen Signal zu erhalten.
System nach Anspruch 1, worin das Lidarsystem ein monostatisches System ist und das System ferner einen Umlenker umfasst, der konfiguriert ist, um das Ausgangssignal auf die Öffnungslinse und den Empfangsstrahl auf den optischen Verstärker zu richten.
System nach Anspruch 1, worin sich das Lidarsystem innerhalb oder an einem Fahrzeug befindet und konfiguriert ist, um eine Position und Geschwindigkeit eines Objekts in Bezug auf das Fahrzeug zu erfassen.
Fahrzeug umfassend: ein kohärentes Lidarsystem, umfassend: eine Lichtquelle, die konfiguriert ist, um eine kontinuierliche Welle auszugeben; einen Modulator, der konfiguriert ist, um eine Frequenz der kontinuierlichen Welle zu modulieren und ein frequenzmoduliertes Dauerstrichwellensignal (FMCW-Signal) bereitzustellen; eine Öffnungslinse, die konfiguriert ist, um einen Empfangsstrahl zu erhalten, der sich aus einer Reflexion eines aus dem FMCW-Signal erhaltenen Ausgabesignals ergibt; und einen optischen Verstärker in einem Weg des Empfangsstrahls, der konfiguriert ist, um einen verstärkten Empfangsstrahl auszugeben; und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um den Betrieb des Fahrzeugs zu erweitern oder zu automatisieren, basierend auf Informationen vom kohärenten Lidarsystem.
Fahrzeug nach Anspruch 7, worin das kohärente Lidarsystem ferner einen zweiten optischen Verstärker umfasst, der konfiguriert ist, um das vom Modulator bereitgestellte FMCW-Signal zu verstärken.
Fahrzeug nach Anspruch 7, worin der Modulator einen Resonator beinhaltet und ferner konfiguriert ist, um eine kontrollierte Spannung an den Resonator anzulegen, sodass die Modulation der kontrollierten Spannung eine Modulation der Frequenz der kontinuierlichen Welle bewirkt.
Fahrzeug nach Anspruch 7, worin das kohärente Lidarsystem ferner einen Strahlteiler umfasst, der konfiguriert ist, um das FMCW-Signal in das Ausgangssignal und ein Lokaloszillator-(LO)-Signal aufzuteilen.