DE102020132971A1

DE102020132971A1 - Lichtdetektionssystem und verfahren dafür

Info

Publication number: DE102020132971A1
Application number: DE102020132971.7A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Maierbacher; Bernhard Siessegger
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2022-06-15
Also published as: CN116601520A; US20240027591A1; WO2022122928A1

Abstract

Gemäß verschiedenen Aspekten wird ein Lichtdetektionssystem (400, 900a, 900b, 1004) bereitgestellt, das Lichtdetektionssystem (400, 900a, 900b, 1004) aufweisend: einen Detektor (402, 500, 902) eingerichtet, ein empfangenes Lichtsignal bereitzustellen; und eine Verarbeitungsschaltung (406, 600, 908a, 908b) eingerichtet: eine Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu identifizieren, und ein dem empfangenen Lichtsignal zugehöriges Signal-Rausch-Verhältnis basierend auf der Anzahl von identifizierten Peaks zu schätzen.

Description

Verschiedene Aspekte betreffen ein Lichtdetektionssystem und Verfahren dafür (z.B. ein Verfahren des Detektierens von Licht), und verschiedene Aspekte betreffen ein LIDAR-System („Light-Detection-And-Ranging“) aufweisend ein Lichtdetektionssystem.
Lichtdetektion und Abstandsmessung sind eine Erfassungstechnik, welche beispielsweise in dem Gebiet des autonomen Fahrens verwendet wird, um detaillierte Informationen über die Umgebung eines automatisierten oder teilweise automatisierten Fahrzeugs bereitzustellen. Licht wird verwendet, um eine Szene abzutasten, und die Eigenschaften (z.B. die Lage, die Geschwindigkeit, die Bewegungsrichtung und dergleichen) der darin vorhandenen Objekte zu ermitteln. Ein LIDAR-System verwendet üblicherweise die Laufzeit (ToF) des emittierten Lichts, um den Abstand zu einem Objekt zu messen. Ein LIDAR-System kann einen Hochgeschwindigkeits-Analog-Digital-Wandler (ADC) oder einen Zeit-Digital-Wandler (TDC) aufweisen, um das von der Szene empfangene Licht zu verarbeiten. Eine ADC-basierte Lösung kann Amplitudeninformationen bereitstellen, welche für eine Objekterkennung und eine Objektzusammenführung nützlich sein können (die jeweiligen Algorithmen können die Amplitudeninformationen nutzen). Darüber hinaus kann bei einer ADC-basierten Lösung das Signal-Rausch-Verhältnis abgeleitet werden, welches ein Maß dafür bereitstellen kann, wie zuverlässig die Messung war. Ein Hochgeschwindigkeits-ADC kann jedoch hinsichtlich des Stromverbrauchs, der Wärme, der Kosten, der Komplexität usw. aufwendig sein. Außerdem erzeugt das kontinuierliche Sampling mit hohen Sampling-Raten große Datenmengen, welche übermittelt und verarbeitet werden müssen. Darüber hinaus stellen nicht alle Detektoren eine Amplitudeninformation bereit (z.B. stellen Einzelphotonen-Lawinendiode-(SPAD)-Detektoren keine solche Information bereit). Eine LIDAR-Architektur, welche einen TDC-Ansatz anwendet, kann gegenüber einem ADC-Ansatz verschiedene Vorteile haben: (1) einen einfachen Systemaufbau, welcher die Anzahl der teuren Komponenten reduziert, während er für Hochgeschwindigkeits-Implementierungen geeignet ist; (2) im Vergleich zu Wellenform-Sampling-Lösungen wird kein Hochgeschwindigkeits-ADC benötigt, was in Hinblick auf Stromverbrauch und Kosten vorteilhaft sein kann; und (3) angesichts des ereignisbasierten Charakters eines TDC-Detektionsschemas kann die Menge der erzeugten Daten relativ klein sein, wodurch die zu verarbeitende Datenmenge reduziert ist (anschaulich wird weniger CPU-Last erzeugt) und die benötigte CPU-Leistung reduziert ist, was zu einer Verringerung des Stromverbrauchs und der Kosten des Systems führt. Eine Einschränkung eines üblichen TDC-basierten Systems ist jedoch, dass es keine Signal-Rausch-Verhältnis(SNR)-Informationen und/oder Amplitudeninformationen bereitstellt.
Verschiedene Aspekte können eine Strategie zum Ermitteln (z.B. Schätzen oder Berechnen) der Signal-Rausch-Verhältnis- und/oder Amplitudeninformation bei auf einem Zeit-Digital-Wandlungsansatz basierter Lichtdetektion betreffen. Verschiedene Aspekte können auf dem Bereitstellen eines Lichtsignals basieren, welches eingerichtet ist, um das Schätzen des Signal-Rausch-Verhältnisses (und der Amplitude) in TDC-basierter Lichtdetektion zu ermöglichen. Ein solches Lichtsignal kann hierin als angepasstes Lichtsignal oder Pilot-Lichtsignal bezeichnet werden. In einigen Aspekten kann ein angepasstes Lichtsignal eine Vielzahl von Lichtpulsen aufweisen, z.B. kann ein angepasstes Lichtsignal ein Multipulssignal sein. Verschiedene Aspekte können ein Lichtdetektionssystem betreffen, welches nach einem Zeit-Digital-Wandlungsansatz eingerichtet ist und angepasst ist, ein Signal-Rausch-Verhältnis und/oder eine Amplitudeninformation zu ermitteln, welche einem empfangenen Lichtsignal zugehörig sind. In einigen Aspekten kann ein LIDAR-System das hierin beschriebene Lichtdetektionssystem aufweisen, und die von dem Lichtdetektionssystem bereitgestellten SNR-Informationen und/oder Amplitudeninformationen können für nachfolgende Verarbeitungsschritte verwendet werden, wie Objektdetektion, Objektverfolgung und Sensor-Zusammenführungsstufen, als Beispiele.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung, kann auf ein LIDAR-System Bezug genommen werden. Es versteht sich jedoch, dass ein LIDAR-System ein Beispiel einer möglichen Anwendung der hierin beschriebenen Strategie zur Ermittlung des einem Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnisses ist. Das hierin beschriebene Verfahren und das hierin beschriebene Lichtdetektionssystem können auch zur Verwendung in anderen Anwendungen oder Systemen vorgesehen sein, in welchen ein Ermitteln des Signal-Rausch-Verhältnisses eines Lichtsignals vorteilhaft sein kann, beispielsweise in einem optischen Übertragungssystem (z.B. drahtlos oder mit optischen Fasern), z.B. in einem System, in welchem Daten und Informationen mittels Licht übertragen werden können.
In verschiedenen Aspekten kann ein Verfahren des Detektierens von Licht (z.B. ein Verfahren des Schätzens eines einem Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnisses) aufweisen: Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals; Identifizieren einer Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal, und Schätzen eines dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnisses basierend auf der Anzahl von identifizierten Peaks.
In verschiedenen Aspekten kann ein Lichtdetektionssystem aufweisen: einen Detektor eingerichtet, ein empfangenes Lichtsignal bereitzustellen; und eine Verarbeitungsschaltung eingerichtet: eine Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu identifizieren, und ein dem empfangenen Lichtsignal zugehöriges Signal-Rausch-Verhältnis basierend auf der Anzahl von identifizierten Peaks zu schätzen.
In verschiedenen Aspekten kann ein LIDAR-System aufweisen: ein Lichtemissionssystem eingerichtet, ein Lichtsignal zu emittieren, wobei das Lichtsignal eine Vielzahl von Peaks aufweist; und ein Lichtdetektionssystem aufweisend: einen Detektor eingerichtet, das Lichtsignal zu empfangen und ein empfangenes Lichtsignal bereitzustellen, und eine Verarbeitungsschaltung eingerichtet, eine Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu identifizieren, und ein dem empfangenen Lichtsignal zugehöriges Signal-Rausch-Verhältnis basierend auf der Anzahl von identifizierten Peaks zu ermitteln. Das LIDAR-System kann beispielsweise Teil eines Fahrzeugs, einer intelligenten Landwirtschaft oder eines Innenraumüberwachungssystems sein.
Zur Veranschaulichung kann ein hierin beschriebenes LIDAR-System als eine TDC-basierte LIDAR-Architektur verstanden werden, welche mehrere Pulse (einen so genannten Multipuls) zur Abstandsmessung verwendet. Das Multipulssignal kann verwendet werden, um SNR- und/oder Amplitudeninformationen mit einem TDC-basierten Schema abzuleiten. Eine TDC-basierte Lösung kann eine geringe Systemkomplexität gewährleisten (insbesondere im Vergleich zu einer ADC-basierten Lösung). Eine TDC-basierte Lösung kann für Hochgeschwindigkeits-Implementierungen geeignet sein, sie erfordert kein kontinuierliches Hochgeschwindigkeits-Sampling (sondern ist eher eine ereignisbasierte Detektion) und kann eine niedrige Datenrate gewährleisten. Darüber hinaus kann eine TDC-basierte Lösung auch mit „binären“ Detektorsignalen (z.B. mit SPAD-Detektorausgaben) funktionieren und, je nach der Architektur, für Multi-Hit-Detektion geeignet sein. Der hierin beschriebene Ansatz kann die Nachteile eines üblichen TDC-Ansatzes, welcher keine SNR-Informationen und/oder Amplitudeninformationen bereitstellt, vermeiden.
Der Begriff „Peak“ kann hierin verwendet werden, um einen Anteil eines Signals (z.B. eines Lichtsignals, eines Stromsignals, eines Spannungssignals usw.) zu beschreiben, wie er in der Signalanalyse üblicherweise verstanden wird. Als anschauliche Erläuterung kann ein Peak als ein Anteil des Signals verstanden werden, welcher eine Halbwertsbreite kleiner als einen vordefinierten Wert (z.B. kleiner als 10 ns oder kleiner als 3 ns oder kleiner als 1 ns oder kleiner als 0,5 ns, als Beispiele) und eine Amplitude (auch als Höhe bezeichnet) größer als einen vordefinierten Wert (z.B. größer als einen Rauschpegel) hat. Ein Signal kann eine Signalkomponente und eine Rauschkomponente haben, wobei die Rauschkomponente der Signalkomponente überlagert ist. Ein Peak kann in einigen Aspekten als ein Anteil der Signalkomponente verstanden werden, welcher größer ist als ein Rauschpegel (hierin auch als Grundrauschen bezeichnet, z.B. ein Durchschnittswert der Rauschkomponente) und bei dem ein Signalpegel einen (lokalen) Maximalwert erreicht.
In einigen Aspekten kann ein Peak eines Signals einem Puls (z.B. einem Lichtpuls, einem Strompuls, einem Spannungspuls usw.) zugehörig sein. Anschaulich kann ein Signal ein oder mehrere Pulse (z.B. ein oder mehrere Lichtpulse, ein oder mehrere Strompulse, ein oder mehrere Spannungspulse usw.) aufweisen, welche jeweils einem jeweiligen Peak von einen oder mehreren Peaks zugehörig sind. Der Peak kann als der Punkt des Pulses verstanden werden, an dem ein Signalpegel des Pulses (z.B. ein Leistungspegel, ein Strompegel, ein Spannungspegel oder ein Amplitudenpegel, wie unten beschrieben wird) den größten Absolutwert hat. Im Folgenden können einige Eigenschaften in Bezug auf einen Peak und einige Eigenschaften in Bezug auf den dem Peak zugehörigen Puls beschrieben werden. Es versteht sich, dass die in Bezug auf einen Puls beschriebenen Eigenschaften auch für den entsprechenden zugehörigen Peak gelten können, z.B. falls ein Puls mit einer bestimmten Eigenschaft beschrieben wird, kann es verstanden werden, dass der Puls diese Eigenschaft am zugehörigen Peak hat (z.B. diesen Signalpegel an dem Peak, als Beispiel). Es versteht sich auch, dass die in Bezug auf einen Peak beschriebenen Eigenschaften auch für den entsprechenden damit zugehörigen Puls gelten können, z.B. falls ein Peak mit einer bestimmten Eigenschaft beschrieben wird, kann es verstanden werden, dass der zugehörige Puls diese Eigenschaft an dem Peak hat (z.B. diesen Signalpegel an dem Peak, als Beispiel).
Der Ausdruck „Signalpegel“ kann hierin verwendet werden, um einen Parameter zu beschreiben, welcher einem Signal (z.B. einem Lichtsignal, einem Stromsignal, einem Spannungssignal usw.) oder einem Anteil eines Signals (z.B. einem Peak) zugehörig ist. Ein „Signalpegel“, wie hierin verwendet, kann mindestens einen von einem Leistungspegel, einem Strompegel, einem Spannungspegel oder einem Amplitudenpegel (hierin auch als Amplitude bezeichnet) aufweisen.
Der Begriff „Amplitude“ kann hierin verwendet werden, um die Höhe eines Peaks zu beschreiben, z.B. die Höhe eines Pulses. Der Begriff „Amplitude“ kann den Signalpegel des Signals an dem Peak in Bezug auf einen Referenzwert für den Signalpegel beschreiben. Der Begriff „Amplitude“ kann hierin auch in Bezug auf ein Signal verwendet werden, welches keine symmetrische periodische Welle ist, z.B. auch in Bezug auf eine asymmetrische Welle (beispielsweise in Bezug auf ein Signal aufweisend periodische Pulse in einer Richtung). In dieser Hinsicht kann der Begriff „Amplitude“ verstanden werden, die Amplitude des Signals (z.B. des Peaks) zu beschreiben, wie sie vom Referenzwert des Signalpegels ausgemessen wird.
Der Begriff „Prozessor“, wie hierin verwendet, kann als jede Art von technischer Einheit verstanden werden, welche die Bearbeitung von Daten ermöglicht. Die Daten können gemäß einer oder mehrerer spezifischer Funktionen bearbeitet werden, welche von dem Prozessor ausgeführt werden. Ferner kann ein Prozessor, wie hierin verwendet, als jede Art von Schaltung verstanden werden, z.B. jede Art von analoger oder digitaler Schaltung. Ein Prozessor kann somit eine analoge Schaltung, eine digitale Schaltung, eine Mixed-Signal-Schaltung, eine Logik-Schaltung, ein Prozessor, ein Mikroprozessor, ein Hauptprozessor (CPU), ein Grafikprozessor (GPU), ein digitaler Signalprozessor (DSP), ein Universalschaltkreis (FPGA), eine integrierte Schaltung, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) usw. oder eine beliebige Kombination davon sein oder aufweisen. Jede andere Art von Implementierung der jeweiligen Funktionen, welche im Folgenden noch detaillierter beschrieben werden, kann ebenfalls als Prozessor oder Logikschaltung verstanden werden. Es versteht sich, dass jede zwei (oder mehr) der hierin beschriebenen Prozessoren oder Logik-Schaltungen als eine einzige Einheit mit äquivalenter Funktionalität oder Ähnlichem realisiert werden können, und dass umgekehrt jeder einzelne hierin detailliert beschriebene Prozessor oder Logik-Schaltung als zwei (oder mehr) separate Einheiten mit äquivalenter Funktionalität oder Ähnlichem realisiert werden kann.
Im Folgenden können verschiedene einem Lichtsignal zugehörige Diagramme dargestellt und beschrieben werden, in welchen eine dem Lichtsignal zugehörige Leistung versus die Zeit gezeichnet wird. Es versteht sich, dass die Darstellung in Form von Leistung nur ein Beispiel ist und die nachfolgende Beschreibung auch für den Fall gelten kann, dass das Lichtsignal in Form eines anderen Parameters, z.B. eines Stroms, einer Spannung und dergleichen, gezeichnet wird. Es versteht sich auch, dass die in den Diagrammen dargestellten und in Bezug auf die Diagramme beschriebenen Werte beispielhafte Werte sind, welche je nach gewünschten Eigenschaften des Lichtsignals angepasst werden können (z.B. kann eine Leistung erhöht oder verringert werden, als Beispiel).
Im Folgenden können einige Werte (z.B. welche einer Leistung oder einem Leistungspegel eines Signals zugehörig sind) gemäß einer linearen Skala (z.B. in Watt W) oder gemäß einer logarithmischen Skala (z.B. in Dezibel dB oder Dezibel Watt dBW) bereitgestellt werden. In einigen Aspekten können die gemäß der linearen Skala ausgedrückten Werte in entsprechende Werte gemäß der logarithmischen Skala umgerechnet werden, wobei ein Referenzwert angenommen wird, mit welchem die Werte verglichen werden (z.B. 1 W). Als ein Beispiel kann im Falle einer gemäß einer linearen Skala ausgedrückten Leistung P_L eine entsprechende gemäß einer logarithmischen Skala ausgedrückte Leistung P_D als P_D=10*log₁₀ (P_L/P_R) abgeleitet werden, wobei P_R eine Referenzleistung (z.B. 1 W) sein kann. Es versteht sich auch, dass in dBW ausgedrückte Werte mit in dB ausgedrückten Werten kombiniert (z.B. addiert oder subtrahiert) werden können, wie es in der Technik allgemein bekannt ist.
Im Folgenden kann ein Lichtsignal beispielsweise als angepasstes Lichtsignal oder als empfangenes Lichtsignal (hierin auch als detektiertes Lichtsignal bezeichnet) beschrieben werden. Ein angepasstes Lichtsignal kann in einigen Aspekten als das Lichtsignal verstanden werden, das idealerweise empfangen werden sollte (z.B. an einem Lichtdetektionssystem), z.B. als das Lichtsignal, welches bei Abwesenheit von Rauschen empfangen werden würde. Ein empfangenes Lichtsignal kann in einigen Aspekten als das Lichtsignal verstanden werden, welches tatsächlich empfangen wird (z.B. an dem Lichtdetektionssystem), anschaulich aufweisend eine Rauschkomponente (ein Rauschsignal), welche einem angepassten Lichtsignal überlagert ist. In einigen Aspekten kann ein angepasstes Lichtsignal ein Lichtsignal sein, welches von einem Lichtemissionssystem (z.B. eines LIDAR-Systems) emittiert wird, und ein empfangenes Lichtsignal kann das emittierte Lichtsignal sein, wie es von einem Lichtdetektionssystem (z.B. des LIDAR-Systems) empfangen wird, inklusive Rauschen. In einigen Aspekten kann ein empfangenes Lichtsignal einem angepassten Lichtsignal zugehörig sein, z.B. kann das empfangene Lichtsignal das angepasste Lichtsignal und ein diesem überlagertes Rauschsignal aufweisen, z.B. kann das empfangene Lichtsignal eine verrauschte Version des damit zugehörigen (emittierten) angepassten Lichtsignals sein. Ein angepasstes Lichtsignal kann ein Lichtsignal sein, welches für eine bestimmte Operation (z.B. für Abstandsmessung in einem LIDAR-System, für Datenkommunikation in einem optischen Kommunikationssystem usw.) bereitgestellt wird und welches auch eingerichtet ist, eine Signal-Rausch-Verhältnis- (und Amplituden-)Schätzung in einem TDC-basierten Ansatz zu ermöglichen.
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen allgemein über die unterschiedlichen Ansichten hinweg auf dieselben Teile. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, stattdessen wird allgemein ein Schwerpunkt darauf gelegt, die hierin offenbarten Prinzipien zu veranschaulichen. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene hierin offenbarte Aspekte unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1A ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens des Detektierens von Licht gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
1B schematisch ein einem angepassten Lichtsignal zugehöriges Diagramm gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
1C und 1D jeweils schematisch ein einem empfangenen Lichtsignal zugehöriges Diagramm gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
2A bis 2G jeweils ein einem angepassten Lichtsignal zugehöriges Diagramm gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
3A schematisch ein einem angepassten Lichtsignal zugehöriges Diagramm gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
3B und 3C jeweils schematisch ein einem empfangenen Lichtsignal zugehöriges Diagramm gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
4 schematisch ein Lichtdetektionssystem gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
5 schematisch einen Detektor gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
6 schematisch eine Verarbeitungsschaltung gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
7A schematisch eine Schwellenwertermittlungsschaltung gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
7B schematisch eine Grundrauschen-Mess-Schaltung gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
8A schematisch eine Peakdetektion-Schaltung gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
8B und 8C jeweils schematisch ein Triggerereignis-Register gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
9A und 9B jeweils schematisch ein Lichtdetektionssystem gemäß verschiedenen Aspekten zeigt; und
10 schematisch ein LIDAR-System gemäß verschiedenen Aspekten zeigt.

Die folgende detaillierte Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, die zur Veranschaulichung zeigen, wie spezifische hierin offenbarte Details und Aspekte in der Praxis umgesetzt werden können. Diese Aspekte werden ausreichend detailliert beschrieben, um es Fachleuten zu ermöglichen, die offenbarten Implementierungen zu realisieren. Andere Aspekte können verwendet werden, und strukturelle, logische und elektrische Änderungen können gemacht werden, ohne von dem Umfang der offenbarten Implementierungen abzuweichen. Die verschiedenen Aspekte schließen sich nicht notwendigerweise gegenseitig aus, da einige Aspekte mit einem oder mehreren anderen Aspekten kombiniert werden können, um neue Aspekte zu bilden. Verschiedene Aspekte werden in Verbindung mit Verfahren beschrieben, und verschiedene Aspekte werden in Verbindung mit Vorrichtungen (z.B. einem Lichtdetektionssystem, einer Verarbeitungsschaltung, einem Detektor, usw.) beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass in Verbindung mit Verfahren beschriebene Aspekte in ähnlicher Weise für die Vorrichtungen gelten können, und umgekehrt.
1A zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens 100 des Detektierens von Licht gemäß verschiedenen Aspekten. Das Verfahren 100 kann in einigen Aspekten als ein Verfahren des Schätzens eines einem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnisses verstanden werden. In einigen Aspekten kann das Verfahren 100 ein Verfahren des Detektierens von Licht sein, welches in einem LIDAR-System implementiert ist, z.B. in einem LIDAR-System, welches gemäß einem Zeit-Digital-Wandlungsansatz eingerichtet ist. Anschaulich kann das Verfahren 100 ein Verfahren des Detektierens von von einem LIDAR-System emittierten Licht sein.
Das Verfahren 100 kann in 110 ein Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals aufweisen. Anschaulich kann das Verfahren 100 ein Empfangen eines Lichtsignals und ein Bereitstellen einer Repräsentation des empfangenen Lichtsignals aufweisen. In einigen Aspekten kann das Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals als ein Detektieren eines Lichtsignals und ein Bereitstellen einer Repräsentation des detektierten Lichtsignals verstanden werden. Als ein Beispiel kann das Verfahren 100 ein Bereitstellen eines analogen Signals (z.B. eines Stroms oder einer Spannung) aufweisen, welches dem empfangenen Lichtsignal zugehörig ist, z.B. ein analoges Signal, welches das empfangene Lichtsignal repräsentiert. In einigen Aspekten kann ein empfangenes Lichtsignal als eine Repräsentation bereitgestellt werden, welche von einer Verarbeitungsschaltung verarbeitet werden kann, wie unten noch detaillierter beschrieben wird. In einigen Aspekten kann das Verfahren 100 ein Durchführen einer Zeit-Digital-Wandlung des empfangenen Lichtsignals aufweisen (um eine digitalisierte Repräsentation des empfangenen Lichtsignals bereitzustellen, welche hierin auch als digitale Repräsentation des empfangenen Lichtsignals bezeichnet wird).
Das Verfahren 100 kann in 120 ein Identifizieren einer Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal aufweisen. Das Identifizieren einer Anzahl von Peaks kann ein Ermitteln (z.B. Zählen) aufweisen, wie viele Peaks in dem empfangenen Lichtsignal detektiert (in einigen Aspekten unterschieden) werden können. Anschaulich kann das Verfahren 100 ein Zählen der Anzahl der unterscheidbaren Peaks in dem empfangenen Lichtsignal aufweisen, z.B. ein Zählen der Anzahl von Peaks, welche ein oder mehrere vordefinierte Kriterien erfüllen, wie unten noch detaillierter beschrieben wird. Das empfangene Lichtsignal kann Rauschen aufweisen, und das Verfahren 100 kann ein Ermitteln aufweisen, wie viele Peaks in dem empfangenen Lichtsignal vom Rauschen unterschieden werden können. In einigen Aspekten kann das Identifizieren einer Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal als ein Identifizieren einer Anzahl von Lichtpulsen in dem empfangenen Lichtsignal verstanden werden.
Das Verfahren 100 kann in 130 ein Schätzen eines dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnisses basierend auf der Anzahl von identifizierten Peaks aufweisen (anschaulich, unter Verwendung der Anzahl von identifizierten Peaks oder gemäß der Anzahl von identifizierten Peaks). Das Schätzen des Signal-Rausch-Verhältnisses kann in einigen Aspekten als ein Berechnen des Signal-Rausch-Verhältnisses verstanden werden, z.B. als ein Berechnen eines Annäherungswerts für das Signal-Rausch-Verhältnis.
Das Verfahren 100 kann ein Schätzen des Signal-Rausch-Verhältnisses unter Verwendung bekannter Eigenschaften eines angepassten Lichtsignals, welches dem empfangenen Lichtsignal zugehörig ist, aufweisen, anschaulich mittels Vergleichens des tatsächlich empfangenen Lichtsignals mit dem bekannten angepassten Lichtsignal, aus welchem das empfangene Lichtsignal bereitgestellt wurde. Das Verfahren 100 kann ein Schätzen des Signal-Rausch-Verhältnisses mittels Vergleichens der im empfangenen Lichtsignal identifizierten Peaks mit den Peaks des bekannten angepassten Lichtsignals, welches dem empfangenen Lichtsignal zugehörig ist, aufweisen. Anschaulich kann ein empfangenes Lichtsignal mit den bekannten Eigenschaften und der Konfiguration verglichen werden, welche das empfangene Lichtsignal ohne Rauschen aufweisen würde.
In einigen Aspekten kann das Schätzen des Signal-Rausch-Verhältnisses ein Schätzen des dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnisses basierend auf der Anzahl von identifizierten Lichtpulsen aufweisen, z.B. mittels Vergleichens der im empfangenen Lichtsignal identifizierten Lichtpulse mit den Lichtpulsen des bekannten angepassten Lichtsignals, welches diesem zugehörig ist.
Die verschiedenen Aspekte des Verfahrens 100 können unter Bezugnahme auf die 1B, 1C und 1D weiter erläutert werden, welche jeweils ein Diagramm 150b, 150c, 150d zeigen, welches einem angepassten Lichtsignal 152 (1B) oder einem empfangenen Lichtsignal 154 (1C und 1D) zugehörig ist. Das angepasste Lichtsignal 152 kann dem empfangenen Lichtsignal 154 zugehörig sein, d.h. bei Abwesenheit von Rauschen würde das empfangene Lichtsignal 154 dem angepassten Lichtsignal 152 entsprechen. Es versteht sich, dass das angepasste Lichtsignal 152, welches in Bezug auf 1B beschrieben wird, und das empfangene Lichtsignal 154, welches in Bezug auf 1C und 1D beschrieben wird, nur ein Beispiel sind und Lichtsignale mit einer anderen Form oder Konfiguration bereitgestellt werden können, wie unten noch detaillierter beschrieben wird, beispielsweise in Bezug auf 2A bis 2G. In den Diagrammen 150b, 150c, 150d kann die horizontale Achse (die x-Achse) der Zeit (in ns) und die vertikale Achse (die y-Achse) der Leistung (in logarithmischer Skala, in dBW) zugehörig sein.
In verschiedenen Aspekten kann ein angepasstes Lichtsignal eine Vielzahl von Peaks aufweisen, z.B. eine Vielzahl von Lichtpulsen (hierin auch als Sub-Pulse bezeichnet), welche jeweils einem entsprechenden Peak zugehörig sind. In der beispielhaften Konfiguration in 1B kann das angepasste Lichtsignal 152 einen ersten Lichtpuls 156-1 (welcher einem ersten Peak zugehörig ist), einen zweiten Lichtpuls 156-2 (welcher einem zweiten Peak zugehörig ist), einen dritten Lichtpuls 156-3 (welcher einem dritten Peak zugehörig ist), einen vierten Lichtpuls 156-4 (welcher einem vierten Peak zugehörig ist) und einen fünften Lichtpuls 156-5 (welcher einem fünften Peak zugehörig ist) aufweisen. Das Vorhandensein von Rauschen in einem empfangenen Lichtsignal kann dazu führen, dass nicht alle Peaks (nicht alle Lichtpulse) des zugehörigen angepassten Lichtsignals unterscheidbar sind.
Aufgrund der Dämpfung in einem Kommunikationskanal, über welchen ein angepasstes Lichtsignal empfangen wird, sind möglicherweise nicht alle Sub-Pulse (welche im emittierten Signal vorhanden sind) im detektierten Signal sichtbar, d.h. die Amplitude einiger Sub-Pulse kann in Bezug auf ein Grundrauschen (unten noch detaillierter beschrieben) so niedrig sein, dass sie nicht mehr vom Rauschen unterschieden werden können (oder zumindest nicht mehr leicht vom Rauschen unterschieden werden können). Wie in den Diagrammen 150c, 150d in 1C und 1D gezeigt ist, können in dem empfangenen Lichtsignal 154 nur einige der Lichtpulse des angepassten Lichtsignals 152 identifizierbar sein, z.B. in dieser beispielhaften Konfiguration nur der erste Lichtpuls 156-1, der zweite Lichtpuls 156-2 und der dritte Lichtpuls 156-3. Die restlichen Lichtpulse (z.B. der vierte Lichtpuls 156-4 und der fünfte Lichtpuls 156-5) können von dem Rauschen 158 verdeckt sein. Anders ausgedrückt, können in dieser beispielhaften Konfiguration drei der fünf emittierten Sub-Pulse (z.B. Gaußsche Sub-Pulse) bei Vorhandensein des Rauschens 158 detektiert werden; zwei der Sub-Pulse können von dem Rauschen 158 verdeckt werden und können nicht detektiert werden (können nicht vom Rauschen 158 unterschieden werden).
Das Verfahren 100 kann darauf beruhen, die Auswirkung des Rauschens auf ein Lichtsignal (z.B. auf das angepasste Lichtsignal 152) zu ermitteln, mittels Analysierens, wie viel des Lichtsignals verloren geht, z.B. wie viele Lichtpulse des angepassten Lichtsignals aufgrund des Rauschens beim Empfang nicht mehr sichtbar sind. Mittels Ermittelns, welche Lichtpulse (anschaulich, welche Peaks oder welche Signalpegel) in einem empfangenen Lichtsignal (z.B. in dem empfangenen Lichtsignal 154) unterschieden werden können, kann der Rauschpegel geschätzt werden. Die Signalpegel der Lichtpulse, welche im Rauschen verborgen sind, können einen Hinweis auf den Rauschpegel in dem empfangenen Lichtsignal geben.
Wenn man die Struktur eines angepassten Lichtsignals kennt, kann man das SNR des detektierten Signals schätzen mittels Überprüfens, welche Pulse gegenüber dem Hintergrundrauschen sichtbar sind. Insbesondere bei einem Treppensignal (z.B. einem abfallenden oder ansteigenden Kamm) mit einer ab- oder zunehmenden Reihenfolge von Sub-Pulsen (wie unten noch detaillierter beschrieben wird) kann ein Zählen der Pulse, welche gegenüber dem Hintergrundrauschen sichtbar sind, ausreichen, um das SNR des erfassten Signals zu schätzen. Das Problem der SNR-Schätzung lässt sich auf ein Problem der Pulsidentifizierung und -zählung reduzieren, welches beispielsweise mit Komparatoren und Zählern realisiert werden kann, wie unten noch detaillierter beschrieben wird. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass er kein Signal-Sampling erfordert, um die Amplitudeninformation abzuleiten, welches stattdessen zur Ableitung des SNR in einer ADC-basierten Lösung benötigt wird. Der hier beschriebene Ansatz kann zu einer Reduzierung der Komplexität und der Kosten auf der Detektorseite führen.
In einigen Aspekten kann das Verfahren 100 ein Ermitteln (z.B. ein Schätzen) eines durchschnittlichen Signalpegels des einem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Rauschens (hierin auch als Grundrauschen oder durchschnittlicher Rauschsignalpegel bezeichnet) aufweisen. Das Verfahren 100 kann ein Analysieren des empfangenen Lichtsignals aufweisen, um daraus Rauschinformationen zu ermitteln, z.B. um ein dem empfangenen Lichtsignal zugehöriges Hintergrundrauschen zu ermitteln (z.B. zu schätzen). Das Grundrauschen kann mindestens eines von einer durchschnittlichen Rauschleistung, einem durchschnittlichen Rauschstrom, einer durchschnittlichen Rauschspannung oder einer durchschnittlichen Rauschamplitude aufweisen. In der in 1C und 1D dargestellten beispielhaften Konfiguration kann ein Grundrauschen 160 ermittelt werden, welches einer durchschnittlichen Rauschleistung für das empfangene Lichtsignal 154 zugehörig ist. Das Grundrauschen kann verwendet werden, um Amplitudeninformationen in Kombination mit dem geschätzten Signal-Rausch-Verhältnis bereitzustellen, wie unten noch detaillierter beschrieben wird. In der beispielhaften Konfiguration von 1C und 1D kann das Grundrauschen 160 etwa -60 dBW betragen.
In einigen Aspekten, zusätzlich oder alternativ zum Analysieren des empfangenen Lichtsignals, kann das Grundrauschen unter Verwendung von einem oder mehrerer Rauschparameter geschätzt werden, welche dem empfangenen Lichtsignal zugehörig sind, wie ein thermisches Rauschen, ein Schrotrauschen und dergleichen. Anschaulich kann das Verfahren 100 ein Ermitteln des Grundrauschens mittels Analysierens von einem oder mehrerer Rauschparameter des Szenarios, in dem ein Lichtsignal empfangen wird, aufweisen. Das Grundrauschen kann unter Verwendung einer Messung von Sekundärparametern geschätzt werden. Das in dem empfangenen Signal vorhandene Rauschen kann stark von der Temperatur (thermisches Rauschen), dem Umgebungslicht (Schrotrauschen) und anderen Faktoren abhängen. Mittels Messens dieser Parameter und mittels Verwendens eines geeigneten Rauschmodells kann eine Alternative zum Schätzen der Rauschleistung bereitgestellt werden, welche einfach zu implementieren und für die vorliegende Aufgabe genau genug sein kann.
In einigen Aspekten kann das Identifizieren der Anzahl von Peaks im empfangenen Lichtsignal aufweisen: ein Vergleichen des empfangenen Lichtsignals mit einem Schwellenwert (hierin auch als Schwellenpegel bezeichnet). Ein Peak (z.B. der zugehörige Lichtpuls) kann identifiziert (und gezählt) werden, falls der Signalpegel des empfangenen Lichtsignals an diesem Peak größer als der Schwellenwert ist (mit anderen Worten, falls der Signalpegel des empfangenen Lichtsignals an diesem Peak in einem von dem Schwellenwert definierten Detektionsbereich liegt). Falls der Signalpegel des empfangenen Lichtsignals an einem Peak kleiner als der Schwellenwert ist, kann der Peak (z.B. der zugehörige Lichtpuls) vom Rauschen ununterscheidbar sein und kann daher nicht identifiziert (und nicht gezählt) werden. In der in 1D dargestellten beispielhaften Konfiguration kann ein Schwellenwert 162 für das empfangene Lichtsignal 154 ermittelt werden. Der erste Lichtpuls 156-1 und der zweite Lichtpuls 156-2 können den jeweiligen ersten Peak und zweiten Peak oberhalb des Schwellenwerts 162 haben, anschaulich kann ein Signalpegel (z.B. eine Leistung im Diagramm 150d in 1D) an dem ersten Peak und an dem zweiten Peak größer sein als der Schwellenwert 162 (z.B. größer als eine Schwellenleistung), so dass diese Lichtpulse identifiziert werden können. Der dritte Lichtpuls 156-3 sowie der vierte Lichtpuls 156-4 und der fünfte Lichtpuls 156-5 können den jeweiligen dritten Peak, vierten Peak und fünften Peak unterhalb des Schwellenwerts haben, anschaulich kann ein Signalpegel (z.B. eine Leistung) an dem dritten Peak, an dem vierten Peak und an dem fünften Peak kleiner sein als der Schwellenwert 162 (z.B. kleiner als die Schwellenleistung), so dass diese Lichtpulse nicht identifiziert werden können und von der Zählung ausgeschlossen werden können.
Ein Schwellenwert (z.B. der Schwellenwert 162) kann eingerichtet sein, um die Möglichkeit zu reduzieren oder zu verhindern, dass ein Teil des Rauschens (z.B. im Rauschen vorhandene Peaks) fälschlicherweise als Teil des Signalanteils eines empfangenen Lichtsignals (z.B. des empfangenen Lichtsignals 154) identifiziert werden kann. Anschaulich kann der Schwellenwert derart gewählt werden, dass das gesamte Rauschen eines empfangenen Lichtsignals den Schwellenwert unterschreitet.
Der Schwellenwert kann einem Signalpegel zugehörig sein, welcher einem empfangenen Lichtsignal zugehörig ist, z.B. einer Schwellenleistung (wie in 1D gezeigt ist), einem Schwellenstrom, einer Schwellenspannung oder einer Schwellenamplitude. Der Schwellenwert kann derart gewählt werden, dass der entsprechende Signalpegel des Rauschens des empfangenen Lichtsignals unter dem Schwellenwert liegt, z.B. derart, dass eine durchschnittliche Rauschleistung unter einer Schwellenleistung liegt, derart, dass ein durchschnittlicher Rauschstrom unter einem Schwellenstrom liegt, derart, dass eine durchschnittliche Rauschspannung unter einer Schwellenspannung liegt, oder derart, dass eine durchschnittliche Rauschamplitude unter der Schwellenamplitude liegt. Wie in 1D gezeigt ist, kann für dieses beispielhafte Szenario die Schwellenleistung 162 derart eingerichtet sein, dass das Rauschen 158 den Schwellenwert 162 unterschreitet.
Der Schwellenwert kann festgelegt (mit anderen Worten, vorbestimmt oder vordefiniert) sein, z.B. basierend auf einem bekannten oder erwarteten Rauschen eines empfangenen Lichtsignals (z.B. des empfangenen Lichtsignals 154). Der Schwellenwert kann basierend auf bekannten Eigenschaften eines Lichtsignals festgelegt werden, z.B. auf bekannten Eigenschaften, welche ein angepasstes Lichtsignal bei Abwesenheit von Rauschen haben kann. Beispielsweise kann der Schwellenwert derart gewählt werden, dass er 10 % niedriger ist als ein entsprechender niedrigster Signalpegel des angepassten Lichtsignals (z.B. kann eine Schwellenleistung 10% niedriger als eine minimale Leistung an den Peaks des angepassten Lichtsignals gewählt werden), z.B. 30% niedriger als der entsprechende niedrigste Signalpegel, z.B. 50% niedriger als der entsprechende Signalpegel.
Zusätzlich oder alternativ kann der Schwellenwert während der Laufzeit ermittelt werden, d.h. der Schwellenwert kann während und/oder nach dem Empfangen eines Lichtsignals ermittelt werden. Der Schwellenwert kann basierend auf dem tatsächlich empfangenen Lichtsignal ermittelt werden, z.B. basierend auf dem tatsächlichen Rauschen, welches dem empfangenen Lichtsignal zugehörig ist, wie unten noch detaillierter beschrieben wird.
In einigen Aspekten kann das Verfahren 100 ein Ermitteln des Schwellenwerts unter Verwendung des Grundrauschens aufweisen (z.B. ein Ermitteln des Schwellenwerts 162 basierend auf dem Grundrauschen 160). Der Schwellenwert für die Identifizierung der Peaks kann in Abhängigkeit von dem durchschnittlichen Signalpegel des Rauschens gewählt werden. Der Schwellenwert kann größer als das Grundrauschen gewählt werden, z.B. um einen Betrag, welcher sicherstellt, dass das Rauschen bei der Identifizierung der Peaks nicht berücksichtigt wird.
Das Verfahren 100 kann ein Ermitteln des Schwellenwerts durch Addieren eines Offset-Werts zum Grundrauschen (unter der Annahme einer logarithmischen Skala) aufweisen, z.B. durch Addieren eines Offset-Werts zur durchschnittlichen Rauschleistung, durch Addieren eines Offset-Werts zum durchschnittlichen Rauschstrom, durch Addieren eines Offset-Werts zur durchschnittlichen Rauschspannung oder durch Addieren eines Offset-Werts zur durchschnittlichen Rauschamplitude. In einigen Aspekten kann der Offset-Wert als eine Konstante verstanden werden, welche zum Grundrauschen addiert wird. In einigen Aspekten kann das Verfahren 100 ein Ermitteln des Schwellenwerts durch Multiplizieren des durchschnittlichen Signalpegels des Rauschens mit einem Offset-Wert (unter der Annahme einer linearen Skala) aufweisen, z.B. durch Multiplizieren des durchschnittlichen Signalpegels des Rauschens mit einem Skalierungsfaktor. Der Skalierungsfaktor kann größer als 1 sein, z.B. 2, 4, 10, als Beispiele. Als numerisches Beispiel kann der Offset-Wert 3 dB sein, z.B. 6 dB.
Der Offset-Wert (und der Skalierungsfaktor) kann derart gewählt werden, dass die identifizierten Peaks tatsächlich dem Signalanteil eines empfangenen Lichtsignals und nicht dem Rauschen zugehörig sind. Der Offset-Wert (und der Skalierungsfaktor) kann derart gewählt werden, dass die Wahrscheinlichkeit eines falschen Triggers, welcher durch das (zufällige) Hintergrundrauschen verursacht wird, kleiner ist als ein tolerierbarer Schwellenwert, z.B. P < 1e^-3 als Beispiel. Die Wahrscheinlichkeit kann mathematisch unter Verwendung weiterer Annahmen abgeleitet werden, welche mittels Charakterisierung abgeleitet werden (z.B. Gaußsches Rauschen, bekannte Varianz). In der beispielhaften Konfiguration in 1D kann ein Offset-Wert 164 (z.B. 13 dB) zum Grundrauschen 160 addiert werden, um den Schwellenwert 162 bereitzustellen.
In einigen Aspekten kann das Verfahren 100 ein Schätzen des einem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnisses aufweisen, unter Verwendung einer voreingestellten (mit anderen Worten vordefinierten) Differenz zwischen den jeweiligen Signalpegeln, welche verschiedenen Peaks im empfangenen Lichtsignal zugehörig sind. Anschaulich kann das Verfahren 100 ein Schätzen des Signal-Rausch-Verhältnisses basierend auf bekannten Differenzen zwischen den Signalpegeln aufweisen, welche verschiedenen Peaks in einem erwarteten angepassten Lichtsignal zugehörig sind.
Verschiedene Peaks (z.B. verschiedene Lichtpulse) eines angepassten Lichtsignals können unterschiedliche Eigenschaften haben, z.B. einen unterschiedlichen Signalpegel an dem Peak, wie im Folgenden noch detaillierter beschrieben wird (siehe auch 2A bis 2G). In der beispielhaften Konfiguration in 1B kann das angepasste Lichtsignal 152 den ersten Lichtpuls 156-1 mit einer ersten Leistung an dem ersten Peak, den zweiten Lichtpuls 156-2 mit einer zweiten Leistung an dem zweiten Peak, den dritten Lichtpuls 156-3 mit einer dritten Leistung an dem dritten Peak, den vierten Lichtpuls 156-4 mit einer vierten Leistung an dem vierten Peak und den fünften Lichtpuls 156-5 mit einer fünften Leistung an dem fünften Peak aufweisen. Eine Differenz zwischen den Signalpegeln an verschiedenen Peaks kann voreingestellt sein. In dem angepassten Lichtsignal 152 kann eine Differenz zwischen den Leistungen an den verschiedenen Peaks 10 dB betragen, wobei diese Differenz zwischen den Peaks des empfangenen Lichtsignals 154 beibehalten werden kann (mit einem gedämpften Pegel in Bezug auf das angepasste Lichtsignal).
Das einem empfangenen Lichtsignal zugehörige Signal-Rausch-Verhältnis kann basierend auf der Anzahl von identifizierten Peaks und des damit zugehörigen bekannten Signalpegels geschätzt werden. Anschaulich kann basierend auf dem bekannten niedrigsten Signalpegel, welcher identifiziert wurde (oder basierend auf dem bekannten höchsten Signalpegel, welcher nicht identifiziert wurde), eine Schätzung des Signal-Rausch-Verhältnisses bereitgestellt werden. In der in 1D gezeigten beispielhaften Konfiguration kann unter der Annahme einer bekannten Differenz zwischen den Signalpegeln von 10 dB und basierend auf der Identifizierung von zwei Lichtpulsen gefolgert werden, dass das dem empfangenen Lichtsignal 154 zugehörige SNR mindestens 10 dB beträgt. Berücksichtigt man zusätzlich den Offset-Wert von 13 dB, kann dann gefolgert werden, dass das dem empfangenen Lichtsignal 154 zugehörige SNR mindestens 10 dB + 13 dB = 23 dB beträgt (siehe auch die weiteren Berechnungen unten).
Bezeichnet man mit K die Anzahl von identifizierten Peaks (z.B. die Anzahl der identifizierten Lichtpulse), mit Δ die bekannte Differenz zwischen den Signalpegeln an verschiedenen Peaks in einem angepassten Lichtsignal und mit L den Offset-Wert (die Differenz zwischen dem Schwellenwert und dem Grundrauschen), kann das Signal-Rausch-Verhältnis gemäß der folgenden Gleichung geschätzt werden (unter der Annahme, dass L und Δ logarithmische Maße in dB sind, und das SNR ebenfalls als logarithmisches Maß in dB geschätzt wird), $SNR > = (K - 1) * Δ + L$
Unter der Annahme einer logarithmischen Skala kann das Verfahren 100 ein Schätzen des dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnisses aufweisen, durch Subtrahieren von eins von der Anzahl von identifizierten Peaks, durch Multiplizieren des Ergebnisses der Subtraktion mit der bekannten Differenz zwischen den jeweiligen Signalpegeln, welche verschiedenen Peaks zugehörig sind (z.B. der bekannten Differenz zwischen den jeweiligen Leistungen an verschiedenen Peaks), und durch Addieren des Ergebnisses der Multiplikation zu dem dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Offset-Wert. In dem in 1D dargestellten Beispielszenario kann K gleich 2, Δ gleich 10 dB und L gleich 13 dB sein, was einen geschätzten SNR von 23 dB liefert, wie oben beschrieben wurde.
In einigen Aspekten kann das Verfahren 100 ein Ermitteln (z.B. Schätzen oder Berechnen) eines Signalpegels an dem Peak des empfangenen Lichtsignals, welcher den größten Signalpegel (unter den identifizierten Peaks) hat, unter Verwendung des geschätzten Signal-Rausch-Verhältnisses, aufweisen. Der Signalpegel an dem Peak kann durch Kombinieren des geschätzten Signal-Rausch-Verhältnisses mit dem ermittelten Grundrauschen ermittelt werden. Das Signal-Rausch-Verhältnis und das Grundrauschen können bei einer logarithmischen Darstellung miteinander addiert oder bei einer linearen Darstellung miteinander multipliziert werden. Im Falle einer logarithmischen Darstellung kann ein Signalpegel an dem Peak mit dem größten Signalpegel wie folgt ermittelt werden (in der Annahme, dass das Grundrauschen und das SNR logarithmische Maße in dBW und dB sind, kann der Signalpegel, z.B. die Amplitude, in dBW geschätzt werden), $Signalpegel > = SNR + Grundrauschen$
Je nach Art des Signalpegels kann die Leistung an dem Peak mit der größten Leistung ermittelt werden, oder der Strom an dem Peak mit dem größten Strom kann ermittelt werden, oder die Spannung an dem Peak mit der größten Spannung kann ermittelt werden oder die Amplitude an dem Peak mit der größten Amplitude kann ermittelt werden. In der beispielhaften Konfiguration in 1D kann die Leistung des ersten Lichtpulses 156-1 an dem ersten Peak als (23 dB) + (-60 dBW) =< -37 dBW geschätzt werden.
Die mittels des Verfahrens 100 ermittelten SNR- und Amplitudeninformationen können für weitere Operationen, beispielsweise in einem LIDAR-System, zur Verfügung gestellt werden, z.B. zur Unterstützung eines Objekterkennungsverfahrens, zur Unterstützung einer Laufzeitmessung, usw.
In verschiedenen Aspekten ist die Konfiguration eines angepassten Lichtsignals nicht eingeschränkt, solange das angepasste Lichtsignal eine Vielzahl von Peaks mit unterschiedlichen Signalpegeln in Bezug aufeinander aufweist, z.B. solange das angepasste Lichtsignal eine Vielzahl von Lichtpulsen mit unterschiedlichen Eigenschaften in Bezug aufeinander (z.B. unterschiedliche Amplitude) aufweist. Eine Vielzahl von Multipulssignalen kann geeignet sein und kann für das vorgeschlagene TDC-Schema verwendet werden.
2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, und 2G zeigen ein jeweiliges Diagramm 200a, 200b, 200c, 200d, 200e, 200f, 200g, welches einem jeweiligen angepassten Lichtsignal 200a, 200b, 200c, 200d, 200e, 200f, 200g zugehörig ist, gemäß verschiedenen Aspekten. Es versteht sich, dass die angepassten Lichtsignale 202a, 202b, 202c, 202d, 202e, 202f, 202g (der Kürze halber auch als 202a-202g bezeichnet) nur Beispiele sind, und dass auch andere Konfigurationen eines angepassten Lichtsignals möglich sind, z.B. mit einer anderen Anzahl von Lichtpulsen, mit einer anderen Anordnung der Lichtpulse, mit anderen Signalpegeln an den Peaks, usw. In diesen Diagrammen 200a, 200b, 200c, 200d, 200e, 200f, 200g wird ein angepasstes Signal bezüglich der Leistung in einer linearen Skala (in W), beispielsweise in 2D und 2F, bezüglich der Leistung in einer logarithmischen Skala (in dBW), beispielsweise in 2A, 2B, 2C, 2E, oder bezüglich der normalisierten Leistung (in willkürlichen Einheiten), beispielsweise in 2G, dargestellt. Es versteht sich, dass ähnliche Erwägungen gelten können, falls das angepasste Lichtsignal bezüglich eines anderen Parameters (z.B. eines Stroms oder einer Spannung) dargestellt wurde. Die angepassten Lichtsignale 202a-202g können ein Beispiel des angepassten Lichtsignals 152 sein, welches in Bezug auf das Verfahren 100 beschrieben wurde, z.B. in 1B.
Ein angepasstes Lichtsignal 202a-202g kann eine Vielzahl von Lichtpulsen 204a, 204b, 204c, 204d, 204e, 204f, 204g (der Kürze halber auch als 204a-204g bezeichnet) aufweisen. Jeder Lichtpuls der Vielzahl von Lichtpulsen 204a-204g kann einem jeweiligen Peak (einer Vielzahl von Peaks) zugehörig sein. In den in 2A bis 2G gezeigten beispielhaften Konfigurationen kann das angepasste Lichtsignal 202a in 2A einen ersten bis fünften Lichtpuls 204a-1, 204a-2, 204a-3, 204a-4, 204a-5 (welche einem ersten bis fünften Peak zugehörig sind) aufweisen; das angepasste Lichtsignal 202b in 2B kann einen ersten bis fünften Lichtpuls 204b-1, 204b-2, 204b-3, 204b-4, 204b-5 (welche einem ersten bis fünften Peak zugehörig sind) aufweisen; das angepasste Lichtsignal 202c in 2C kann einen ersten bis fünften Lichtpuls 204c-1, 204c-2, 204c-3, 204c-4, 204c-5 (welche einem ersten bis fünften Peak zugehörig sind) aufweisen; das angepasste Lichtsignal 202d in 2D kann einen ersten bis achten Lichtpuls 204d-1, 204d-2, 204d-3, 204d-4, 204d-5, 204d-6, 204d-7, 204d-8 (welche einem ersten bis achten Peak zugehörig sind) aufweisen; das angepasste Lichtsignal 202e in 2E kann einen ersten bis achten Lichtpuls 204e-1, 204e-2, 204e-3, 204e-4, 204e-5, 204e-6, 204e-7, 204e-8 (welche einem ersten bis achten Peak zugehörig sind) aufweisen; das angepasste Lichtsignal 202f in 2F kann einen ersten bis fünften Lichtpuls 204f-1, 204f-2, 204f-3, 204f-4, 204f-5 (welche einem ersten bis fünften Peak zugehörig sind) aufweisen; und das angepasste Lichtsignal 202g in 2G kann einen ersten bis fünften Lichtpuls 204g-1, 204g-2, 204g-3, 204g-4, 204g-5 (welche einem ersten bis fünften Peak zugehörig sind) aufweisen. In einigen Aspekten kann ein angepasstes Lichtsignal 202a-202g als ein amplitudenmoduliertes Lichtsignal aufweisend eine Vielzahl von Peaks verstanden werden.
Die Anzahl der Lichtpulse (und die zugehörige Anzahl der Peaks) in einem angepassten Lichtsignal kann beliebig gewählt werden (z.B. basierend auf den Fähigkeiten eines Lichtemissionssystems). Als numerisches Beispiel kann ein angepasstes Lichtsignal eine Anzahl von Lichtpulsen in dem Bereich von 2 bis 15, z.B. in dem Bereich von 2 bis 10, z.B. in dem Bereich von 2 bis 5, aufweisen. Die Anzahl und die Eigenschaften der Sub-Pulse können je nach den Bedürfnissen und Zielen der vorgeschlagenen TDC-Lösung gewählt werden. Die Anzahl der Sub-Pulse kann mit N bezeichnet werden. Sie kann unter Berücksichtigung der gewünschten Auflösung der SNR- und Amplitudenschätzung gewählt werden.
Jeder Lichtpuls eines angepassten Lichtsignals kann eine jeweilige Form haben, z.B. eine rechteckige Form, eine quadratische Form, eine Gaußsche Form, eine sinusförmige Form, als Beispiele. In der in 2A bis 2G dargestellten Konfiguration können die Lichtpulse 204a-204g der angepassten Lichtsignale 202a-202g jeweils eine Gaußsche Form haben. In einigen Aspekten kann jeder Lichtpuls eines angepassten Lichtsignals eine gleiche Form haben (wie in 2A bis 2G gezeigt). In anderen Aspekten kann ein angepasstes Lichtsignal Lichtpulse mit unterschiedlichen Formen aufweisen, z.B. mindestens einen ersten Lichtpuls mit einer ersten Form und einen zweiten Lichtpuls mit einer zweiten Form, welche sich von der ersten Form unterscheidet. Anders ausgedrückt können die einzelnen Sub-Pulse alle die gleiche Pulsform haben (was eine einfachere Emissionskonfiguration ermöglichen kann), oder sie können unterschiedliche Pulsformen haben.
Die verschiedenen Lichtpulse in einem angepassten Lichtsignal können Signalpegel haben, welche sich voneinander unterscheiden, z.B. mindestens einen von einem unterschiedlichen Leistungspegel an dem Peak (hierin auch als Peak-Leistung bezeichnet), einem unterschiedlichen Strompegel an dem Peak (hierin auch als Peak-Strom bezeichnet), einem unterschiedlichen Spannungspegel an dem Peak (hier auch als Peak-Spannung bezeichnet) oder einer unterschiedlichen Amplitude. Um SNR und Amplitude aus Zeitmessungen abzuleiten, kann ein angepasstes Lichtsignal Sub-Pulse aufweisen, welche sich in der Amplitude unterscheiden (was wiederum zu einer Differenz in der Leistung führt). Die Aufteilung von Leistung zu den einzelnen Sub-Pulsen kann auf eine beliebige (aber vordefinierte) Weise erfolgen, wie unten noch detaillierter beschrieben wird.
Ein angepasstes Lichtsignal kann einen ersten Lichtpuls mit einem ersten Signalpegel (an dem zugehörigen ersten Peak), einen zweiten Lichtpuls mit einem zweiten Signalpegel (an dem zugehörigen zweiten Peak), einen dritten Lichtpuls mit einem dritten Signalpegel (an dem zugehörigen dritten Peak) usw. aufweisen. Der erste Signalpegel kann sich von dem zweiten Signalpegel unterscheiden, z.B. kann er größer als der zweite Signalpegel oder kleiner als der zweite Signalpegel sein. Der dritte Signalpegel kann sich von dem ersten Signalpegel und dem zweiten Signalpegel unterscheiden, z.B. kann er größer als beide, kleiner als beide oder auf einem Zwischenwert liegen (z.B. größer als der erste Signalpegel und kleiner als der zweite Signalpegel, oder umgekehrt). Gleiches kann für weitere Lichtpulse und weitere Signalpegel (an den jeweiligen weiteren Peaks) gelten, z.B. einen vierten Signalpegel, einen fünften Signalpegel usw.
Als ein Beispiel kann ein angepasstes Lichtsignal einen ersten Lichtpuls mit einer ersten Peak-Leistung und einen zweiten Lichtpuls mit einer zweiten Peak-Leistung, welche sich von der ersten Peak-Leistung unterscheidet, aufweisen. Die erste Peak-Leistung kann größer als die zweite Peak-Leistung oder kleiner als die zweite Peak-Leistung sein. Anders beschrieben kann der erste Lichtpuls eine erste Amplitude haben und der zweite Lichtpuls kann eine zweite Amplitude haben, welche sich von der ersten Amplitude unterscheidet, z.B. kann die erste Amplitude größer als die zweite Amplitude oder kleiner als die zweite Amplitude sein. Als weiteres Beispiel kann das angepasste Lichtsignal einen dritten Lichtpuls mit einer dritten Peak-Leistung aufweisen, welche sich von der ersten Peak-Leistung und der zweiten Peak-Leistung unterscheidet, z.B. größer als die erste Peak-Leistung und die zweite Peak-Leistung, oder kleiner als die erste Peak-Leistung und die zweite Peak-Leistung, oder auf einem Leistungspegel zwischen der ersten Peak-Leistung und der zweiten Peak-Leistung. Anders beschrieben kann der dritte Lichtpuls eine dritte Amplitude haben, welche sich von der ersten Amplitude und der zweiten Amplitude unterscheidet (z.B. größer als beide, kleiner als beide, oder auf einem mittleren Amplitudenpegel).
In den in 2A bis 2G dargestellten beispielhaften Konfigurationen können die Lichtpulse 204a-204g der darin gezeigten angepassten Lichtsignale 202a-202g jeweils eine entsprechende Leistung an den zugehörigen Peaks haben, welche sich von der Leistung an den jeweiligen Peaks der anderen Lichtpulse 204a-204g innerhalb desselben angepassten Lichtsignals 202a-202g unterscheidet.
In einigen Aspekten können die Lichtpulse in einem angepassten Lichtsignal in der Reihenfolge des zunehmenden oder abnehmenden Signalpegels (an dem jeweiligen Peak) angeordnet sein, z.B. kann ein angepasstes Lichtsignal eine treppenartige oder treppenförmige Konfiguration haben. Anschaulich kann in einigen Aspekten ein Multipuls-„Treppensignal“ (auf der Emitterseite) bereitgestellt werden, z.B. kann ein emittiertes Abstandsmessungssignal mehrere Pulse (Sub-Pulse) aufweisen, welche von einem Sub-Puls zum nächsten einen abnehmenden oder zunehmenden Signalpegel (z.B. abnehmende oder zunehmende Amplitude) haben.
Wie beispielsweise in 2A, 2D und 2E gezeigt ist, kann ein angepasstes Lichtsignal 200a, 200d, 200e eine Vielzahl von Lichtpulsen aufweisen, welche in der Reihenfolge des abnehmenden Signalpegels (z.B. in der Reihenfolge der abnehmenden Leistung) angeordnet sind, z.B. kann der jeweilige erste Peak des ersten Lichtpulses 204a-1, 204d-1, 204e-1 bei einer ersten Peak-Leistung liegen, welche größer ist als die zweite Peak-Leistung des jeweiligen zweiten Peaks des zweiten Lichtpulses 204a-2, 204d-2, 204e-2, kann die zweite Peak-Leistung größer sein als eine dritte Peak-Leistung des jeweiligen dritten Peaks des dritten Lichtpulses 204a-3, 204d-3, 204e-3, usw. Die Reihenfolge kann als eine zeitliche Reihenfolge verstanden werden, z.B. kann der Lichtpuls mit dem größten Signalpegel der erste emittierte Puls sein, der zweite Lichtpuls mit dem zweitgrößten Signalpegel kann der zweite emittierte Lichtpuls (welcher nach dem ersten Lichtpuls emittiert wird) sein, der dritte Lichtpuls mit dem drittgrößten Signalpegel kann der dritte emittierte Lichtpuls (welcher nach dem zweiten Lichtpuls emittiert wird) sein usw.
Wie beispielsweise in 2B gezeigt ist, kann ein angepasstes Lichtsignal 200b eine Vielzahl von Lichtpulsen aufweisen, welche in der Reihenfolge des zunehmenden Signalpegels (z.B. in der Reihenfolge der zunehmenden Leistung) angeordnet sind, z.B. kann der erste Peak des ersten Lichtpulses 204b-1 bei einer ersten Peak-Leistung liegen, welche kleiner ist als die zweite Peak-Leistung des zweiten Peaks des zweiten Lichtpulses 204b-2, kann die zweite Peak-Leistung kleiner sein als die dritte Peak-Leistung des dritten Peaks des dritten Lichtpulses 204b-3 usw. Die Reihenfolge kann als zeitliche Reihenfolge verstanden werden, z.B. kann der Lichtpuls mit dem kleinsten Signalpegel der erste emittierte Puls sein, der zweite Lichtpuls mit dem zweitkleinsten Signalpegel kann der zweite emittierte Lichtpuls sein (welcher nach dem ersten Lichtpuls emittiert wird), der dritte Lichtpuls mit dem drittkleinsten Signalpegel kann der dritte emittierte Lichtpuls sein (welcher nach dem zweiten Lichtpuls emittiert wird), usw.
Eine Konfiguration eines angepassten Lichtsignals mit Lichtpulsen, welche in der Reihenfolge des abnehmenden Signalpegels angeordnet sind (wie in 2A, 2D und 2E gezeigt ist), kann beispielsweise für den Fall vorgesehen werden, dass der erste Lichtpuls (mit dem größten Signalpegel) einer auszuführenden Operation zugehörig ist, z.B. für den Fall, dass der erste Lichtpuls für Abstandsmessung, Datenübertragung usw. verwendet wird.
In einigen Aspekten, wie beispielsweise in 2C, 2F und 2G gezeigt ist, kann ein angepasstes Lichtsignal 200c, 200f, 200g eine Vielzahl von Lichtpulsen 204c, 204f, 204 aufweisen, welche in zufälliger Reihenfolge angeordnet sind, z.B. kann der jeweilige zweite Peak des zweiten Lichtpulses 204c-2, 204f-2, 204g-2 bei einer zweiten Peak-Leistung liegen, welche größer ist als die dritte Peak-Leistung des jeweiligen dritten Peaks des dritten Lichtpulses 204c-3, 204f-3, 204g-3, und kann die dritte Peak-Leistung kleiner sein als die vierte Peak-Leistung des jeweiligen vierten Peaks des vierten Lichtpulses 204c-4, 204f-4, 204g-4, usw. Die Reihenfolge der Lichtpulse innerhalb eines angepassten Lichtsignals kann frei gewählt werden, solange Lichtpulse mit unterschiedlichen Signalpegeln vorgesehen sind.
In einigen Aspekten kann eine Signalpegeldifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen gemäß einer gewünschten Auflösung der Schätzung des Signal-Rausch-Verhältnisses gewählt werden. Falls ein angepasstes Lichtsignal als Treppensignal eingerichtet ist, kann die Signalpegeldifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen als Schrittweite bezeichnet werden. Die Differenz im Signalpegel kann eine von einer Differenz in der Peak-Leistung, in dem Peak-Strom, in der Peak-Spannung oder in der Amplitude sein. Bei treppenförmigen Signalen kann sich die Schrittweite Δ beispielsweise auf eine Amplitudendifferenz oder eine Leistungsdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sub-Pulsen beziehen. Die Schrittweite kann in logarithmischer Skala oder linearer Skala sein, wie unten noch detaillierter beschrieben wird. Unter Berücksichtigung allgemeiner Erwägungen zum Systemdesign und zur Systemkomplexität können die Anzahl der Sub-Pulse und die Schrittweite Δ derart gewählt werden, dass die gewünschten SNR- oder Amplitudenschätzungsfähigkeiten erfüllt werden.
In einigen Aspekten kann die Signalpegeldifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen über die Vielzahl von Lichtpulsen hinweg konstant bleiben, z.B. kann das Treppensignal in Schritten mit konstanter Schrittweite ansteigen oder abfallen. Als ein Beispiel kann ein angepasstes Lichtsignal einen ersten Lichtpuls mit einer ersten Peak-Leistung (und einer ersten Amplitude), einen zweiten Lichtpuls mit einer zweiten Peak-Leistung (und einer zweiten Amplitude) und einen dritten Lichtpuls mit einer dritten Peak-Leistung (und einer dritten Amplitude) aufweisen. Eine Differenz zwischen der ersten Peak-Leistung und der zweiten Peak-Leistung kann gleich einer Differenz zwischen der zweiten Peak-Leistung und der dritten Peak-Leistung sein. Anschaulich kann eine Differenz zwischen der ersten Amplitude und der zweiten Amplitude gleich einer Differenz zwischen der zweiten Amplitude und der dritten Amplitude sein.
Als numerisches Beispiel kann eine Differenz in der Peak-Leistung zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen (z.B. zwischen einem ersten Lichtpuls und einem zweiten Lichtpuls, welche nebeneinanderliegend sind, usw.) in dem Bereich von 3 dB bis 20 dB liegen (in einer logarithmischen Skala), beispielsweise in dem Bereich von 6 dB bis 10 dB, beispielsweise gleich oder kleiner als 10 dB.
Als weiteres numerisches Beispiel kann eine Differenz in der Peak-Leistung zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen durch einen Faktor in dem Bereich von 2 bis 100 ausgedrückt werden (in einer linearen Skala), z.B. in dem Bereich von 4 bis 10, z.B. durch einen Faktor größer als 2.
In einigen Aspekten kann die Differenz im Signalpegel zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen durch Prozentsätze ausgedrückt werden. Als ein Beispiel kann der Signalpegel jedes Lichtpulses in Bezug auf den Signalpegel des Lichtpulses mit dem größten Signalpegel (z.B. in Bezug auf den Signalpegel des Hauptpulses des Lichtsignals) ausgedrückt werden. Als numerisches Beispiel kann die prozentuale Abweichung in Bezug auf den Hauptpuls zwischen verschiedenen Lichtpulsen in dem Bereich von 5% bis 90% liegen, z.B. in dem Bereich von 10% bis 60%.
Beispielsweise kann bei einem abnehmenden Treppensignal der Signalpegel (z.B. die Peak-Leistung) aufeinanderfolgender Lichtpulse um einen bestimmten Prozentsatz in Bezug auf den ersten (Haupt-)Lichtpuls abnehmen. Beispielsweise kann der Signalpegel (z.B. die Peak-Leistung) des zweiten Lichtpulses 90% des Signalpegels des ersten Lichtpulses betragen, der Signalpegel des dritten Lichtpulses kann 80% des Signalpegels des ersten Lichtpulses betragen, der Signalpegel des vierten Lichtpulses kann 70% des Signalpegels des ersten Lichtpulses betragen, usw. Als weiteres Beispiel kann bei einem ansteigenden Treppensignal der Signalpegel (z.B. die Peak-Leistung) aufeinanderfolgender Lichtpulse um einen bestimmten Prozentsatz in Bezug auf den letzten (Haupt-)Lichtpuls ansteigen. Beispielsweise kann der Signalpegel (z.B. die Peak-Leistung) des ersten Lichtpulses 10% des Signalpegels des letzten Lichtpulses betragen, der Signalpegel des zweiten Lichtpulses kann 20% des Signalpegels des letzten Lichtpulses betragen, der Signalpegel des dritten Lichtpulses kann 30% des Signalpegels des letzten Lichtpulses betragen, usw. Eine Schrittweite kann in Prozent ausgedrückt werden, z.B. kann eine Schrittweite eine Abweichung (z.B. einen Anstieg oder eine Abnahme) des Signalpegels zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen in dem Bereich von 10 % bis 50% aufweisen, beispielweise 12,5 %. Anschaulich kann ein Signalpegel eines Lichtpulses eine Abweichung in dem Bereich von 10% bis 50% in Bezug auf den Hauptlichtpuls in Bezug auf den Signalpegel des unmittelbar vorhergehenden Lichtpulses haben.
Als ein Beispiel kann eine zweite Peak-Leistung eines zweiten Lichtpulses gleich oder kleiner als 90% einer ersten Peak-Leistung eines ersten Lichtpulses (welcher unmittelbar vorhergehend zu dem zweiten Lichtpuls ist) sein. Als weiteres Beispiel kann eine zweite Peak-Leistung eines zweiten Lichtpulses gleich oder größer als 110% einer ersten Peak-Leistung eines ersten Lichtpulses (welcher unmittelbar vorhergehend zu dem zweiten Lichtpuls ist) sein.
In der in 2A und 2B dargestellten beispielhaften Konfiguration können die angepassten Lichtsignale 202a, 202b derart eingerichtet sein, dass eine Peak-Leistung zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen um einen konstanten Betrag Δ abnimmt (siehe 2A) oder um einen konstanten Betrag zunimmt (siehe 2B), z.B. kann die gleiche Schrittweite Δ zwischen der ersten Peak-Leistung des ersten Lichtpulses 204a-1, 204b-1 und der zweiten Peak-Leistung des zweiten Lichtpulses 204a-2, 204b-2, zwischen der zweiten Peak-Leistung und der dritten Peak-Leistung des dritten Lichtpulses 204a-3, 204b-3, zwischen der dritten Peak-Leistung und der vierten Peak-Leistung des vierten Lichtpulses 204a-4, 204b-4, und zwischen der vierten Peak-Leistung und der fünften Peak-Leistung des fünften Lichtpulses 204a-5, 204b-5 vorgesehen sein. In dieser beispielhaften Konfiguration kann die Schrittweite Δ 10 dB betragen.
In der in 2D gezeigten beispielhaften Konfiguration (in einer linearen Skala) können die angepassten Lichtsignale 202d derart eingerichtet sein, dass eine Peak-Leistung zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen um einen konstanten Betrag δ (in einer linearen Skala, in 2D nicht dargestellt) abnimmt. Die gleiche Schrittweite δ kann zwischen der ersten Peak-Leistung des ersten Lichtpulses 204d-1 und der zweiten Peak-Leistung des zweiten Lichtpulses 204d-2, zwischen der zweiten Peak-Leistung und der dritten Peak-Leistung des dritten Lichtpulses 204d-3, zwischen der dritten Peak-Leistung und der vierten Peak-Leistung des vierten Lichtpulses 204d-4, und zwischen der vierten Peak-Leistung und der fünften Peak-Leistung des fünften Lichtpulses 204d-5 vorgesehen sein. In dieser beispielhaften Konfiguration kann die Schrittweite δ 0,125 betragen, anschaulich eine prozentuale Abweichung von 12,5% in Bezug auf den Hauptpuls (in diesem Beispiel der erste Puls 204d-1) zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen 204d. In der in 2D dargestellten beispielhaften Konfiguration können die Signalpegel der Lichtpulse 204 wie folgt sein, in der Annahme, dass der Hauptpuls 204d-1 einen Signalpegel MS hat: der zweite Lichtpuls 204d-2 kann einen Signalpegel von MS*(1-1*0,125) haben, der dritte Lichtpuls 204d-3 kann einen Signalpegel von MS*(1-2*0,125) haben, der vierte Lichtpuls 204d-4 kann einen Signalpegel von MS*(1-3*0,125) haben, usw. Die konstante Schrittweite in der linearen Skala kann eine variierende Schrittweite in der logarithmischen Skala bereitstellen, wie in 2E gezeigt ist, in welcher das angepasste Lichtsignal 202e dem angepassten Lichtsignal 202d von 2D, welches in logarithmischer Skala gezeichnet ist, entsprechen kann.
Im Falle eines zufällig angeordneten angepassten Lichtsignals 202c, 202f, 202g (siehe 2C, 2F und 2G) kann die Schrittweite als Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Signalpegeln eher als zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen verstanden werden. Anschaulich kann ein angepasstes Lichtsignal 202c, 202f, 202g aufweisend zufällig angeordnete Lichtpulse eine Vielzahl von Signalpegeln aufweisen (z.B. einen ersten Signalpegel, einen zweiten Signalpegel, einen dritten Signalpegel, usw.) und eine Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Signalpegeln kann durch die Schrittweite definiert werden (z.B. die Differenz zwischen dem ersten Signalpegel und dem zweiten Signalpegel, die Differenz zwischen dem zweiten Signalpegel und dem dritten Signalpegel, usw.). Jeder Signalpegel kann einem jeweiligen Lichtpuls zugehörig sein, entsprechend der zufälligen Verteilung der Lichtpulse innerhalb des Lichtsignals.
In einigen Aspekten kann ein Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen in einem angepassten Lichtsignal gemäß einer gewünschten Operation, welche mit dem angepassten Lichtsignal durchgeführt werden soll, angepasst werden. Ein Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen kann als Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lichtpulsen verstanden werden. Der Abstand kann hierin auch als Sub-Pulsdauer bezeichnet werden. Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen kann in dem Bereich von 50 ps bis 50 ns liegen, beispielsweise in dem Bereich von 50 ps bis 500 ns. Ein kurzer oder relativ kürzerer Abstand kann bevorzugt werden, z.B. im Falle einer Laufzeitmessung, welche mit dem angepassten Lichtsignal durchgeführt werden soll, um eine schnellere Abtastung der Szene zu ermöglichen. Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen kann ein (zeitlicher) Peak-zu-Peak-Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen sein (z.B. zwischen aufeinanderfolgenden Peaks).
Die Sub-Pulse können entweder zeitlich gleich beabstandet sein oder einen ungleichen zeitlichen Abstand haben. In einigen Aspekten kann der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen über die gesamten Lichtpulse eines angepassten Lichtsignals hinweg konstant sein. Anschaulich kann ein erster Abstand (ein erster Peak-zu-Peak-Abstand) zwischen einem ersten Lichtpuls und einem zweiten Lichtpuls gleich einem zweiten Abstand (einem zweiten Peak-zu-Peak-Abstand) zwischen dem zweiten Lichtpuls und einem dritten Lichtpuls sein usw. Der zweite Lichtpuls kann unmittelbar auf den ersten Lichtpuls folgen, und der dritte Lichtpuls kann unmittelbar auf den zweiten Lichtpuls folgen. In der in 2A dargestellten beispielhaften Konfiguration können alle Pulse gleich beabstandet sein, z.B. kann der Abstand T_s zwischen dem ersten Lichtpuls 204a-1 und dem zweiten Lichtpuls 204a-2 gleich dem Abstand zwischen dem zweiten Lichtpuls 204a-2 und dem dritten Lichtpuls 204a-3, gleich dem Abstand zwischen dem dritten Lichtpuls 204a-3 und dem vierten Lichtpuls 204a-4 und gleich dem Abstand zwischen dem vierten Lichtpuls 204a-4 und dem fünften Lichtpuls 204a-5 sein. In der beispielhaften Konfiguration in 2A kann der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen 6 ns betragen. Das Gleiche kann für die in 2B bis 2G dargestellten angepassten Lichtsignale 202b-202g gelten.
In einigen Aspekten kann der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen über die gesamten Lichtpulse eines angepassten Lichtsignals hinweg variieren. Anschaulich kann sich ein erster Abstand (ein erster Peak-zu-Peak-Abstand) zwischen einem ersten Lichtpuls und einem zweiten Lichtpuls von einem zweiten Abstand (einem zweiten Peak-zu-Peak-Abstand) zwischen dem zweiten Lichtpuls und einem dritten Lichtpuls unterscheiden, usw.
In einigen Aspekten kann die Dauer eines Lichtpulses, z.B. die Halbwertsbreite eines Lichtpulses, eines angepassten Lichtsignals gemäß einer gewünschten Operation, welche mit dem angepassten Lichtsignal durchgeführt werden soll, angepasst werden. Die Dauer eines Lichtpulses kann in dem Bereich von 0,5 ns bis 5 ns liegen, z.B. in dem Bereich von 1 ns bis 2 ns. Die Dauer verschiedener Lichtpulse kann über ein gesamtes angepasstes Lichtsignal hinweg konstant bleiben oder kann zwischen verschiedenen Lichtpulsen eines angepassten Lichtsignals variieren. Als ein Beispiel kann ein erster Lichtpuls eine erste Dauer haben und ein zweiter Lichtpuls kann eine zweite Dauer haben, welche gleich der ersten Dauer ist. Anschaulich kann ein angepasstes Lichtsignal eine Vielzahl von Lichtpulsen aufweisen, welche alle eine gleiche Dauer haben. Als weiteres Beispiel kann ein erster Lichtpuls eine erste Dauer haben und ein zweiter Lichtpuls kann eine zweite Dauer haben, welche sich von der ersten Dauer unterscheidet. Anschaulich kann ein angepasstes Lichtsignal eine Vielzahl von Lichtpulsen aufweisen und mindestens zwei Lichtpulse können eine unterschiedliche Dauer haben.
In der in 2A gezeigten beispielhaften Konfiguration können alle Pulse eine gleiche Dauer haben, z.B. kann die erste Dauer des ersten Lichtpulses 204a-1 gleich der zweiten Dauer des zweiten Lichtpulses 204a-2, gleich der dritten Dauer des dritten Lichtpulses 204a-3, gleich der vierten Dauer des vierten Lichtpulses 204a-4 und gleich der fünften Dauer des fünften Lichtpulses 204a-5 sein. In der beispielhaften Konfiguration in 2A kann die Dauer eines Lichtpulses etwa 1,5 ns betragen. Das Gleiche kann für die in 2B bis 2G dargestellten angepassten Lichtsignale 202b-202g gelten.
In verschiedenen Aspekten kann ein angepasstes Lichtsignal zur Durchführung einer gewünschten Operation eingerichtet sein, zusätzlich zum Ermöglichen des Schätzens von SNR und Amplitude. Als ein Beispiel kann ein angepasstes Lichtsignal für eine Abstandsmessung eingerichtet sein (z.B. für die Messung des Abstands zu einem Objekt in einem LIDAR-System). Ein angepasstes Lichtsignal kann zur Abstandsmessung verwendet werden, z.B. kann ein angepasstes Lichtsignal ein Abstandsmessungssignal sein, und das empfangene Lichtsignal kann eine direkte Reflexion des angepassten Lichtsignals sein, welche von der Szene stammt. Eine direkte Laufzeitmessung (ToF-Messung) kann mittels Emittierens eines Abstandsmessungssignals, z.B. eingerichtet als Treppensignal aufweisend mehrere Lichtpulse (mehrere Sub-Pulse), und mittels Abwartens seiner Reflexion durchgeführt werden. Das detektierte Signal, falls ein Signal detektiert wird, kann eine gefilterte und abgeschwächte Version des emittierten Signals sein, welche zusätzlich durch additives Rauschen verschlechtert ist (wie beispielsweise in Bezug auf 1C und 1D oben beschrieben wurde).
In einigen Aspekten kann nur einer der Lichtpulse eines angepassten Lichtsignals, z.B. der Lichtpuls mit dem größten Signalpegel (hierin auch als Hauptpuls bezeichnet), für die gewünschte Operation eingerichtet (oder dafür zweckbestimmt) sein. Als ein Beispiel kann das in Bezug auf 1A beschriebene Verfahren 100 ein Ermitteln einer einem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Laufzeit basierend auf der Ankunftszeit des Lichtpulses mit dem größten Signalpegel unter den Lichtpulsen des empfangenen Lichtsignals aufweisen. In anderen Aspekten kann das gesamte angepasste Lichtsignal (z.B. alle Lichtpulse) für die gewünschte Operation, z.B. für die Abstandsmessung, eingerichtet (oder dafür zweckbestimmt) sein. Diese beiden Implementierungen werden nun beispielhaft in Bezug auf 3A, 3B und 3C beschrieben.
3A, 3B, 3C zeigen ein jeweiliges Diagramm 300a, 300b, 300c, welches einem angepassten Lichtsignal 302a (3A) oder einem empfangenen Lichtsignal 304b, 304c (3B und 3C) zugehörig ist. In den Diagrammen 300a, 300b, 300c kann die horizontale Achse (die x-Achse) der Zeit (in ns) und die vertikale Achse (die y-Achse) der Leistung (in einer logarithmischen Skala, in dBW) zugehörig sein. Es versteht sich, dass das in Bezug auf 3A beschriebene angepasste Lichtsignal 302a und das in Bezug auf 3B und 3C beschriebene empfangene Lichtsignal 304b, 304c nur ein Beispiel sind, und Lichtsignale mit einer anderen Form oder Konfiguration vorgesehen werden können, wie beispielsweise in Bezug auf 2A bis 2G beschrieben wurde.
In der in 3A gezeigten beispielhaften Konfiguration kann das angepasste Lichtsignal 306a eine Vielzahl von Lichtpulsen 306a (z.B. N=5 Sub-Pulse) aufweisen, z.B. einen ersten bis fünften Lichtpuls 306a-1, 306a-2, 306a-3, 306a-4, 306a-5 (welche einem jeweiligen ersten bis fünften Peak zugehörig sind). In der Konfiguration in 3A kann das angepasste Lichtsignal 306a als eine abnehmende Treppe eingerichtet sein, wobei der erste Lichtpuls 306a-1 den größten Signalpegel unter den mehreren Lichtpulsen 306a (z.B. eine größte Peak-Leistung) haben kann, d.h. der erste Lichtpuls 306a-1 kann der Hauptpuls des angepassten Lichtsignals 302a sein.
Im Falle, dass das angepasste Lichtsignal 302a zur Messung einer Laufzeit verwendet werden soll, wird in der einfachsten Implementierung nur der Hauptpuls für die Abstandsmessung verwendet. Die Energie in den anderen Lichtpulsen (die anderen 4 Sub-Pulse in dieser beispielhaften Konfiguration) wird nicht für die Abstandsmessung verwendet, sondern nur für die Kanalschätzung, z.B. nur für die SNR-Schätzung. Aus Sicht der Abstandsmessung geht die in den anderen emittierten Pulsen gesammelte Energie verloren, was nachteilig sein kann. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass das SNR in der Regel nur mit einer relativ niedrigen Granularität bekannt sein muss. Außerdem reicht oft eine logarithmische Skala aus. Dies hat zur Folge, dass die in den Sub-Pulsen gesammelte Energie, welche neben dem Hauptpuls liegen, im Vergleich zu der im Hauptpuls enthaltenen Energie relativ niedrig ist. Als numerisches Beispiel: bei einer Schrittweite von 6 dB und einem angepassten Lichtsignal 306a mit einem Hauptpuls und vier zusätzlichen Kanalschätzungspulsen (welche einen dynamischen Bereich von 24 dB abdecken) kann die verschwendete Energie/Leistung etwa 24,93% betragen. Als weiteres numerisches Beispiel: bei einer Schrittweite von 10 dB und einem angepassten Lichtsignal 306a mit einem Hauptpuls und vier zusätzlichen Kanalschätzungspulsen (welche einen dynamischen Bereich von 40 dB abdecken) kann die verschwendete Energie/Leistung 11,11% betragen. Damit kann der Energieverlust zwar nicht vernachlässigbar, aber angesichts der Vorteile, die SNR-Informationen für ein System als Ganzes bringen können, akzeptabel sein. Insbesondere die Verwendung von adaptiven Abstandsmessungsschemata (welche durch SNR-Informationen verfügbar werden können) kann dazu beitragen, den Energieverbrauch trotz des Multipulsschemas (mit der damit verbundenen Leistungsineffizienz) zu verbessern, wie unten noch detaillierter beschrieben wird, z.B. in Bezug auf 10.
In einigen Aspekten kann die gesamte in einem Multipulssignal gesammelte Energie (und nicht nur die im Hauptpuls enthaltene Energie) für die gewünschte Operation, z.B. zur Abstandsmessung, verwendet werden. Dies kann eine verbesserte Leistung (z.B. eine verbesserte Abstandsmessungsleistung) bei einem gegebenen Stromverbrauch bereitstellen, oder einen verbesserten Stromverbrauch für die gegebene Operation (z.B. für einen gegebenen Zielreichweite).
In 3B ist eine Implementierung dargestellt, bei der nur der Hauptpuls eines angepassten Lichtsignals (z.B. nur der erste Puls 306a-1 des angepassten Lichtsignals 302a) für die gewünschte Operation verwendet werden kann. In 3C ist eine Implementierung dargestellt, bei der ein oder mehrere Pulse eines angepassten Lichtsignals (z.B. alle Pulse 306a des angepassten Lichtsignals 302a) für die gewünschte Operation verwendet werden können.
In der in 3B dargestellten Implementierung kann nur der Hauptpuls des empfangenen Lichtsignals 304b (z.B. der erste Puls 306b-1) für die gewünschte Operation, z.B. für eine Laufzeitmessung, berücksichtigt werden. Die anderen Pulse des empfangenen Lichtsignals 304b (z.B. zweite bis fünfte Lichtpulse 306b-2, 306b-3, 306b-4, 306b-5) können nur zur Schätzung des SNR verwendet werden, wie oben in Bezug auf 1A bis 1D beschrieben wurde. In dieser beispielhaften Konfiguration kann das SNR (wie durch den Pfeil 308b angezeigt) etwa 14,7 dB betragen (z.B. unter Berücksichtigung eines Grundrauschens 310b von etwa -59,47 dBW).
In der in 3C dargestellten Implementierung wird das gesamte empfangene Lichtsignal 304b weiterverarbeitet, sodass sich das empfangene Lichtsignal 304c ergibt (welches selbst ein Multipulssignal mit Lichtpulsen 306c-1, 306c-2, 306c-3, 306c-4, 306c-5, 306c-6, 306c-7, 306c-8, 306c-9 ist). Der größte Peak im empfangenen Lichtsignal 304c kann dann für die gewünschte Operation, z.B. für eine Laufzeitmessung, verwendet werden. In dieser beispielhaften Konfiguration kann das SNR (wie durch den Pfeil 308c angezeigt) in Bezug auf die in 3B gezeigte Implementierung steigen, z.B. kann das SNR etwa 16,5 dB betragen (z.B. unter Berücksichtigung eines Grundrauschens 310c von etwa -53,06 dBW). Die Abstandsmessungsleistung kann verbessert werden. In 3C kann sich S² _RX auf das Lichtsignal, N_g auf das Rauschen und S_RX+N_g auf die Kombination von Signal und Rauschen (anschaulich auf die verrauschte Version des Lichtsignals) beziehen.
Im Folgenden werden, z.B. in Bezug auf 4 bis 10, mögliche praktische Implementierungen des in Bezug auf 1A beschriebenen Verfahrens 100 beschrieben, z.B. Systeme und Komponenten, welche eingerichtet sind, um das Verfahren 100 (oder Teile davon) in die Praxis umzusetzen.
4 zeigt ein Lichtdetektionssystem 400 (hierin auch als Lichtdetektionsvorrichtung 400 bezeichnet) in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten. Das Lichtdetektionssystem 400 kann eingerichtet sein, das in Bezug auf 1A beschriebene Verfahren 100 durchzuführen. In einigen Aspekten kann das Lichtdetektionssystem 400 ein Lichtdetektionssystem sein, welches nach einem Zeit-Digital-Wandlungsansatz eingerichtet ist, wie unten noch detaillierter beschrieben wird.
Das Lichtdetektionssystem 400 kann einen Detektor 402 aufweisen, welcher eingerichtet ist, ein empfangenes Lichtsignal 404 bereitzustellen. Anschaulich kann der Detektor 402 eingerichtet sein, ein Lichtsignal 404 zu empfangen (oder zu detektieren) und eine Repräsentation des empfangenen Lichtsignals 404 bereitzustellen, z.B. um ein analoges Signal (z.B. einen Strom oder eine Spannung, wie unten noch detaillierter beschrieben wird) bereitzustellen, welches dem am Detektor 402 empfangenen Lichtsignal 404 zugehörig ist. Anschaulich kann der Detektor 402 eingerichtet sein, den Aspekt 110 des in Bezug auf 1A beschriebenen Verfahrens 100 zu implementieren.
Das am Detektor 402 empfangene Lichtsignal 404 kann eine verrauschte Version eines angepassten Lichtsignals sein, z.B. eines angepassten Lichtsignals eingerichtet, wie es für die angepassten Lichtsignale 152, 202a-202g, 302a in Bezug auf 1B, 2A bis 2G, und 3A oben beschrieben wurde. Anschaulich kann das am Detektor 402 empfangene Lichtsignal 404 ein empfangenes Lichtsignal sein, welches als das empfangene Lichtsignal 154, 304b, 304c eingerichtet ist, welches in Bezug auf 1C, 1D, 3B, und 3C oben beschrieben wurde. Das Lichtsignal 404 kann sowohl für eine gewünschte Operation (z.B. Abstandsmessung, für eine ToF-Messung) als auch für eine SNR-Schätzung eingerichtet sein.
Das Lichtdetektionssystem 400 kann eine Verarbeitungsschaltung 406 aufweisen, welche mit dem Detektor 402 gekoppelt ist. Die Verarbeitungsschaltung 406 kann eingerichtet sein, das empfangene Lichtsignal 404 (eine Repräsentation des am Detektor 402 empfangenen Lichtsignals 404, welche die Verarbeitungsschaltung 406 verarbeiten kann) von dem Detektor 402 zu empfangen.
Die Verarbeitungsschaltung 406 kann eingerichtet sein, eine Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal 404 zu identifizieren (anschaulich kann die Verarbeitungsschaltung 406 eingerichtet sein, das empfangene Lichtsignal 404 zu verarbeiten, um die Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal 404 zu identifizieren).
Anders ausgedrückt kann die Verarbeitungsschaltung 406 eingerichtet sein, die Anzahl von unterscheidbaren Peaks in dem empfangenen Lichtsignal 404 zu zählen. In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 406 eingerichtet sein, eine Anzahl von Lichtpulsen in dem empfangenen Lichtsignal 404 zu identifizieren.
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 406 eingerichtet sein, eine digitalisierte Repräsentation des empfangenen Lichtsignals 404 bereitzustellen. Die Verarbeitungsschaltung 406 kann eingerichtet sein, das empfangene Lichtsignal durch eine Zeit-Digital-Wandlung umzuwandeln, um die digitalisierte Repräsentation des empfangenen Lichtsignals 404 bereitzustellen. Eine Repräsentation des empfangenen Lichtsignals 404, welche durch eine Zeit-Digital-Wandlung bereitgestellt wird, kann eine binäre Repräsentation aufweisen, welche das Vorhandensein/ die Abwesenheit von empfangenem Licht über die Zeit anzeigt (z.B. welche das Vorhandensein/ die Abwesenheit von empfangenen Lichtpulsen des empfangenen Lichtsignals 404 über die Zeit anzeigt).
Die Verarbeitungsschaltung 406 kann ferner eingerichtet sein, ein dem empfangenen Lichtsignal zugehöriges 404 Signal-Rausch-Verhältnis zu schätzen basierend auf der Anzahl von identifizierten Peaks, anschaulich unter Verwendung der Anzahl von identifizierten Peaks, oder gemäß der Anzahl von identifizierten Peaks. In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 406 ferner eingerichtet sein, ein dem empfangenen Lichtsignal zugehöriges 404 Signal-Rausch-Verhältnis zu schätzen basierend auf der Anzahl von identifizierten Lichtpulsen in dem empfangenen Lichtsignal 404.
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 406 ferner eingerichtet sein, einen Signalpegel (z.B. eine Amplitude) von mindestens einem Lichtpuls der identifizierten Lichtpulse, z.B. von mindestens einem Peak des empfangenen Lichtsignals 404, zu schätzen, wie unten noch detaillierter beschrieben wird.
Zur Veranschaulichung kann die Verarbeitungsschaltung 406 eingerichtet sein, die Aspekte 120, 130 des in Bezug auf 1A beschriebenen Verfahrens 100 zu implementieren.
Das Lichtdetektionssystem 400 kann somit die Vorteile eines einfachen TDC-basierten Systems bieten, während es zusätzlich Informationen über SNR (und Amplitude) bereitstellt. Als ein Beispiel kann die Anzahl von teuren Komponenten im Vergleich zu einem ADC-basierten Ansatz reduziert werden, während es für Hochgeschwindigkeitsimplementierungen geeignet ist. Im Vergleich zu Wellenform-Sampling-Lösungen ist kein Hochgeschwindigkeits-ADC erforderlich, was vorteilhaft für den Stromverbrauch und die Kosten sein kann. Der ereignisbasierte Charakter (Vorhandensein/Abwesenheit) von TDC-Detektionsschemata kann es ermöglichen, die Menge der generierten Daten zu reduzieren, was zu einer geringeren zu verarbeitenden Datenmenge führt (z.B. zu einer geringeren CPU-Last), und weniger CPU-Leistung benötigt wird, und so der Stromverbrauch und die Kosten des Systems reduziert werden. Die Informationen über SNR und Amplitude, welche mittels des Lichtdetektionssystems 400 bereitgestellt werden können, liefern aussagekräftige Informationen über die Messung für nachfolgende Datenverarbeitungsstufen (z.B. Objekterkennung, Objektverfolgung, Sensor-Zusammenführung, als Beispiele für ein LIDAR-System). Darüber hinaus kann der Detektor 402 mit niedriger Komplexität realisiert werden.
Im Folgenden werden in Bezug auf 5 bis 8C mögliche Komponenten und Konfigurationen des Detektors 402 und der Verarbeitungsschaltung 406 dargestellt. Es versteht sich, dass die hierin beschriebenen Konfigurationen und Komponenten beispielhaft sind und andere Konfigurationen (z.B. mit zusätzlichen, weniger oder alternativen Komponenten) zur Durchführung des in 1A beschriebenen Verfahrens 100 vorgesehen werden können.
5 zeigt einen Detektor 500 in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten. Der Detektor 500 kann eine beispielhafte Umsetzung des in Bezug auf 4 beschriebenen Detektors 402 sein.
Der Detektor 500 kann eine Photodiode 502 aufweisen, welche eingerichtet ist, ein analoges Signal als Reaktion auf auf die Photodiode 502 auftreffendes Licht bereitzustellen. Die Photodiode 502 kann eingerichtet sein, ein analoges Signal (ein erstes analoges Signal eines ersten Typs, z.B. einen Strom, wie einen Photostrom) als Reaktion auf ein empfangenes auf die Photodiode auftreffendes Lichtsignal (z.B. das empfangene Lichtsignal 404) 502 bereitzustellen. Als Beispiele kann die Photodiode 502 mindestens eine von einer PIN-Photodiode, einer Lawinen-Photodiode, einer Einzelphotonen-Lawinendiode oder einem Silizium-Photomultiplizierer aufweisen.
In einigen Aspekten kann der Detektor 500 eine Vielzahl von Photodioden 502 (z.B. vom gleichen Typ oder von verschiedenen Typen) aufweisen, anschaulich kann der Detektor 500 eine Vielzahl von Pixeln aufweisen, welche jeweils eine jeweilige Photodiode 502 aufweisen oder einer jeweiligen Photodiode zugehörig sind. In dieser Konfiguration kann die Vielzahl der Photodioden 502 ein Array bilden, z.B. ein eindimensionales oder zweidimensionales Array. Anschaulich können die Photodioden 502 entlang einer Richtung (z.B. einer vertikalen Richtung oder einer horizontalen Richtung) angeordnet sein, oder sie können entlang zweier Richtungen angeordnet sein, z.B. in einer ersten (z.B. horizontalen) Richtung und in einer zweiten (z.B. vertikalen) Richtung.
In einigen Aspekten kann die Photodiode 502 eingerichtet sein, ein Signal für jedes Photon (z.B. für jedes einzelne Photon) bereitzustellen, welches auf die Photodiode 502 auftrifft, beispielsweise in dem Fall, dass die Photodiode 502 ein Silizium-Photomultiplizierer-Array mit einer oder mehreren SPADs aufweist.
In einigen Aspekten kann die Photodiode 502 eingerichtet sein, ein analoges Gesamtsignal bereitzustellen, welches die Ankunft von einem oder mehreren Photonen an der Photodiode 502 über ein oder mehrere Zeitintervalle darstellt. Anschaulich kann die Photodiode 502 eingerichtet sein, eine Gesamtverteilung bereitzustellen, welche die Photonen repräsentiert, welche über ein bestimmtes Zeitintervall an der Photodiode 502 eingetroffen sind. Das analoge Gesamtsignal kann verarbeitet werden, um die Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu identifizieren. Eine mit dem Detektor 500 gekoppelte Verarbeitungsschaltung (z.B. die Verarbeitungsschaltung 406) kann eingerichtet sein, ein digitalisiertes Gesamtsignal unter Verwendung des analogen Gesamtsignals zu erzeugen, und kann eingerichtet sein, die ein oder mehreren Peaks in einem empfangenen Lichtsignal (z.B. in dem empfangenen Lichtsignal 404) basierend auf dem digitalisierten Gesamtsignal zu identifizieren.
Der Detektor 500 kann ferner eine Verstärkerschaltung 504 aufweisen, welche mit der Photodiode 502 gekoppelt ist. Die Verstärkerschaltung 504 kann eingerichtet sein, das von der Photodiode 502 bereitgestellte (erste) analoge Signal zu empfangen, und kann eingerichtet sein, das empfangene analoge Signal zu verstärken. Die Verstärkerschaltung 504 kann eingerichtet sein, ein (zweites) analoges Signal durch Verstärkung des empfangenen (ersten) analogen Signals bereitzustellen.
In einigen Aspekten kann die Verstärkerschaltung 504 eingerichtet sein, um einen Typ des empfangenen analogen Signals zu ändern, z.B. von einem Strom zu einer Spannung oder umgekehrt. Anschaulich kann die Verstärkerschaltung 504 eingerichtet sein, ein zweites analoges Signal eines zweiten Typs basierend auf dem empfangenen ersten analogen Signal eines ersten Typs bereitzustellen.
Die Verstärkerschaltung 504 kann mindestens einen von einem Stromverstärker, einem Spannungsverstärker oder einem Leistungsverstärker aufweisen. Als Beispiele kann die Verstärkerschaltung 504 einen Transistorverstärker, einen Operationsverstärker oder einen Transimpedanzverstärker aufweisen.
Die Photodiode 502 und die Verstärkerschaltung 504 können an einem Ausgang 506 des Detektors 500 ein empfangenes Lichtsignal bereitstellen (z.B. an einem mit einer Verarbeitungsschaltung gekoppelten Ausgang, z.B. mit der Verarbeitungsschaltung 406), anschaulich eine analoge (und verstärkte) Repräsentation eines an der Photodiode 502 ankommenden Lichtsignals.
6 zeigt eine Verarbeitungsschaltung 600 in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten. Die Verarbeitungsschaltung 600 kann eine beispielhafte Umsetzung der in Bezug auf 4 beschriebenen Verarbeitungsschaltung 406 sein.
Die Verarbeitungsschaltung 600 kann eingerichtet sein, ein Signal an einem Eingang 602 zu empfangen, z.B. kann sie eingerichtet sein, ein empfangenes Lichtsignal an dem Eingang 602 zu empfangen (z.B. das empfangene Lichtsignal 404), beispielsweise eine analoge Repräsentation eines empfangenen Lichtsignals (z.B. wie sie von dem in Bezug auf 5 beschriebenen Detektor 500 bereitgestellt wird).
Die Verarbeitungsschaltung 600 kann anschaulich eine Vielzahl von Verarbeitungsstufen aufweisen, in denen das empfangene Lichtsignal verarbeitet wird, was zu der Schätzung des dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnisses führt. Die verschiedenen Verarbeitungsstufen können eingerichtet sein, um die verschiedenen Aspekte des in Bezug auf 1A beschriebenen Verfahrens 100 zu implementieren. In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 600 eine Schwellenwertermittlungsschaltung 604, eine Peakidentifizierung-Schaltung 606 und eine SNR-Schätzschaltung 608 aufweisen. Verschiedene hierin beschriebene Operationen in Bezug auf eine Verarbeitungsschaltung (z.B. auf die Verarbeitungsschaltung 406, 600) können so verstanden werden, dass sie von einer entsprechenden Sub-Schaltung der Verarbeitungsschaltung durchgeführt werden.
Die Schwellenwertermittlungsschaltung 604, die Peakidentifizierung-Schaltung 606 und die SNR-Schätzschaltung 608 können miteinander gekoppelt sein, so dass ein Informationsaustausch zwischen den verschiedenen Verarbeitungsstufen erfolgen kann.
Die Schwellenwertermittlungsschaltung 604 kann eingerichtet sein, einen Schwellenwert zu ermitteln, welcher dem empfangenen Lichtsignal zugehörig ist, und den ermittelten Schwellenwert an die Peakidentifizierung-Schaltung 606 und an die SNR-Schätzschaltung 608 bereitzustellen (zur Berücksichtigung beim Ermitteln des SNR, wie in Gleichung (1) beschrieben wurde). Eine Operation der Schwellenwertermittlungsschaltung 604 wird im Folgenden noch detaillierter beschrieben, z.B. in Bezug auf 7A und 7B. Die Schwellenwertermittlungsschaltung 604 kann eingerichtet sein, ein dem empfangenen Lichtsignal zugehöriges Grundrauschen zu ermitteln und den Schwellenwert gemäß dem ermittelten Grundrauschen zu ermitteln. Die Schwellenwertermittlungsschaltung 604 kann eingerichtet sein, Grundrauschen-Informationen an die SNR-Schätzschaltung 608 bereitzustellen (welche beim Ermitteln des Signalpegels eines Peaks zu berücksichtigen sind, wie in Gleichung (2) beschrieben wurde).
Die Peakidentifizierung-Schaltung 606 kann eingerichtet sein, eine Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu identifizieren und Informationen über die Anzahl der identifizierten Peaks an die SNR-Schätzschaltung 608 bereitzustellen (zur Berücksichtigung beim Ermitteln des SNR, wie in Gleichung (1) beschrieben wurde). Die Peakidentifizierung-Schaltung 606 kann eingerichtet sein, das empfangene Lichtsignal (vom Eingang 602) zu empfangen und Schwellenwertinformationen (von der Schwellenwertermittlungsschaltung 604) zu empfangen, und kann eingerichtet sein, die Anzahl von Peaks im empfangenen Lichtsignal gemäß den empfangenen Schwellenwertinformationen zu identifizieren. Ein Betrieb der Schwellenwertermittlungsschaltung 604 wird unten noch detaillierter beschrieben, z.B. in Bezug auf 8A und 8C.
Die SNR-Schätzschaltung 608 kann eingerichtet sein, das dem empfangenen Lichtsignal zugehörige Signal-Rausch-Verhältnis zu ermitteln (z.B. zu schätzen oder zu berechnen), z.B. gemäß den empfangenen Informationen. Die SNR-Schätzschaltung 608 kann eingerichtet sein, Schwellenwertinformationen (von der Schwellenwertermittlungsschaltung 604) und Informationen über die Anzahl von identifizierten Peaks (von der Peakidentifizierung-Schaltung 606) zu empfangen und das SNR entsprechend zu ermitteln (z.B. wie in Gleichung (1) beschrieben wurde). Die SNR-Schätzschaltung 608 kann ein oder mehrere Prozessoren aufweisen, welche eingerichtet sind, das dem empfangenen Lichtsignal zugehörige Signal-Rausch-Verhältnis basierend auf den empfangenen Informationen zu ermitteln.
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 600 (z.B. bei der SNR-Schätzschaltung 608) eingerichtet sein, das dem empfangenen Lichtsignal zugehörige Signal-Rausch-Verhältnis zu schätzen, unter Verwendung einer voreingestellten Differenz zwischen jeweiligen Signalpegeln, welche verschiedenen Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zugehörig sind, z.B. wie in Bezug auf die Gleichung (1) beschrieben wurde. Die Verarbeitungsschaltung 600 (z.B. die SNR-Schätzschaltung 608) kann eingerichtet sein, Informationen zu empfangen, welche ein Lichtsignal (ein angepasstes Lichtsignal) beschreiben, welches dem empfangenen Lichtsignal zugehörig ist, d.h. Informationen, welche eine erwartete Konfiguration des empfangenen Lichtsignals bei Abwesenheit von Rauschen beschreiben. In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 600 einen Speicher aufweisen, welcher bekannte Informationen über ein empfangenes Lichtsignal (und über ein angepasstes Lichtsignal) speichert. In anderen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 600 mit einem Speicher gekoppelt sein, welcher solche Informationen speichert, und kann eingerichtet sein, sie bei Ermitteln des Signal-Rausch-Verhältnisses abzurufen. In anderen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 600 eingerichtet sein, solche Informationen von einem Lichtemissionssystem, welches das Lichtsignal emittiert hat, oder von einer zentralen Verarbeitungsschaltung, welche mit dem Lichtemissionssystem und der Verarbeitungsschaltung 600 gekoppelt ist, zu empfangen.
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 600 (z.B. bei der SNR-Schätzschaltung 608) eingerichtet sein, das dem empfangenen Lichtsignal zugehörige Signal-Rausch-Verhältnis zu schätzen, unter Verwendung einer voreingestellten Differenz zwischen den Signalpegeln an den jeweiligen Peaks verschiedener Lichtpulse in dem empfangenen Lichtsignal. Als ein Beispiel, in dem Fall, dass das empfangene Lichtsignal mindestens einen ersten Peak mit einer ersten Peak-Leistung und einen zweiten Peak mit einer von der ersten Peak-Leistung verschiedenen zweiten Peak-Leistung (z.B. einen ersten Lichtpuls mit einer ersten Leistung an dem zugehörigen ersten Peak und einen zweiten Lichtpuls mit einer zweiten Leistung an dem zugehörigen zweiten Peak) aufweist, kann die Verarbeitungsschaltung 600 (z.B. bei der SNR-Schätzschaltung 608) eingerichtet sein, das dem empfangenen Lichtsignal zugehörige Signal-Rausch-Verhältnis unter Verwendung einer voreingestellten Differenz zwischen der ersten Peak-Leistung und der zweiten Peak-Leistung zu schätzen.
In einigen Aspekten, bei einer logarithmischen Repräsentation, kann die Verarbeitungsschaltung 600 (z.B. bei der SNR-Schätzschaltung 608) eingerichtet sein, das dem empfangenen Lichtsignal zugehörige Signal-Rausch-Verhältnis zu schätzen, durch Subtrahieren von eins von der Anzahl der identifizierten Peaks, durch Multiplizieren des Ergebnisses der Subtraktion mit der bekannten Differenz zwischen den jeweiligen Leistungen, welche verschiedenen Peaks zugehörig sind, und durch Addieren des Ergebnisses der Multiplikation zu dem Schwellenwert.
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 600 (z.B. bei der SNR-Schätzschaltung 608) eingerichtet sein, einen Signalpegel von mindestens einem Peak der identifizierten Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu schätzen. Die Verarbeitungsschaltung 600 kann eingerichtet sein, den Signalpegel des Peaks mit dem größten Signalpegel unter den identifizierten Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu schätzen. Die Verarbeitungsschaltung 600 kann eingerichtet sein, den Signalpegel des mindestens einen Peaks (z.B. den Signalpegel mindestens eines Lichtpulses an dem zugehörigen Peak) unter Verwendung des geschätzten Signal-Rausch-Verhältnisses zu schätzen, beispielsweise wie in Gleichung (2) beschrieben wurde. Die Verarbeitungsschaltung 600 kann eingerichtet sein, den Signalpegel durch Kombinieren des geschätzten Signal-Rausch-Verhältnisses mit dem ermittelten Grundrauschen zu schätzen. Die Verarbeitungsschaltung 600 kann eingerichtet sein, den Signalpegel zu schätzen, durch Addieren des Grundrauschens zum Signal-Rausch-Verhältnis, falls eine logarithmische Repräsentation verwendet wird, oder sie kann eingerichtet sein, den Signalpegel zu schätzen, durch Multiplizieren des Grundrauschens mit dem Signal-Rausch-Verhältnis, falls eine lineare Repräsentation verwendet wird.
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 600 eingerichtet sein, eine dem empfangenen Lichtsignal zugehörige Laufzeit zu ermitteln (z.B. zu schätzen oder zu berechnen), beispielsweise in dem Fall, dass die Verarbeitungsschaltung 600 Teil eines LIDAR-Systems ist.
Die Verarbeitungsschaltung 600 kann eingerichtet sein, ein Trigger-Signal als Reaktion auf das empfangene Lichtsignal zu erzeugen. In einigen Aspekten kann das Trigger-Signal in der Peakidentifizierung-Schaltung 606 erzeugt werden, wie unten noch detaillierter beschrieben wird. In anderen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 600 optional eine Triggerschaltung 610 (einen ToF-Trigger, z.B. einen Schmitt-Trigger) aufweisen, welche eingerichtet ist, das Trigger-Signal beim Empfang des empfangenen Lichtsignals zu erzeugen. In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 600 (z.B. die Triggerschaltung 610) eingerichtet sein, das Trigger-Signal als Reaktion auf den Lichtpuls des empfangenen Lichtsignals mit dem größten Signalpegel an dem zugehörigen Peak (z.B. als Reaktion auf den Lichtpuls mit der größten Amplitude) zu erzeugen, anschaulich als Reaktion auf einen Hauptpuls des empfangenen Lichtsignals.
Die Verarbeitungsschaltung 600 kann eingerichtet sein, die dem empfangenen Lichtsignal zugehörige Laufzeit unter Verwendung des erzeugten Trigger-Signals zu ermitteln. Anschaulich kann das Trigger-Signal einen dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Timer (einen TDC-Timer) stoppen. Der Timer kann beim Emittieren des Lichtsignals gestartet und beim Empfang des Lichtsignals gestoppt werden, und die Laufzeit des Timers kann die Laufzeit des Lichtsignals definieren. Der Timer kann ein Timer in einem Mikroprozessor, einem Universalschaltkreis (FPGA) oder einer zweckbestimmten integrierten TDC-Schaltung (IC) sein, als Beispiele.
7A zeigt eine Schwellenwertermittlungsschaltung 700 in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten. Die Schwellenwertermittlungsschaltung 700 kann eine beispielhafte Implementierung der in Bezug auf 6 beschriebenen Schwellenwertermittlungsschaltung 604 sein.
Die Schwellenwertermittlungsschaltung 700 kann eingerichtet sein, einen Schwellenwert für die Identifizierung von Peaks in einem empfangenen Lichtsignal (z.B. in dem empfangenen Lichtsignal 404, z.B. in dem am Eingang 602 der Verarbeitungsschaltung 600 bereitgestellten empfangenen Lichtsignal) bereitzustellen. Die Schwellenwertermittlungsschaltung 700 kann eine Grundrauschen-Mess-Schaltung 702 und eine Trigger-Offset-Berechnungsschaltung 704 aufweisen.
Die Grundrauschen-Mess-Schaltung 702 kann eingerichtet sein, einen durchschnittlichen Signalpegel des einem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Rauschens zu ermitteln (z.B. zu schätzen oder zu messen) (z.B. eine durchschnittliche Rauschleistung, einen durchschnittlichen Rauschstrom, eine durchschnittliche Rauschspannung oder eine durchschnittliche Rauschamplitude).
In einigen Aspekten kann die Grundrauschen-Mess-Schaltung 702 eingerichtet sein, das Grundrauschen des empfangenen Lichtsignals zu ermitteln, mittels Analysierens des analogen (elektrischen) Signals, welches das empfangene Lichtsignal repräsentiert (z.B. das elektrische Signal, welches von einem Transimpedanzverstärker eines Detektors kommt). Das elektrische Signal kann eine beliebige Wellenform haben. Die Grundrauschen-Mess-Schaltung 702 kann eingerichtet sein, den durchschnittlichen Signalpegel des Rauschens (z.B. die durchschnittliche Rauschleistung) durch Quadrieren und Durchschnittberechnung des dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen analogen Signals zu schätzen. Die Grundrauschen-Mess-Schaltung 702 kann eingerichtet sein, das empfangene Lichtsignal zu quadrieren und zu mitteln, unter Verwendung von nichtlinearen Diodeneigenschaften zum Quadrieren des Signals in Kombination mit einem Mittelwertkondensator. Eine beispielhafte Implementierung der Grundrauschen-Mess-Schaltung 702 ist in 7B dargestellt.
In anderen Aspekten kann die Grundrauschen-Mess-Schaltung 702 eingerichtet sein, den durchschnittlichen Signalpegel des Rauschens unter Verwendung von einem oder mehrerer Rauschparameter zu schätzen, welche dem empfangenen Lichtsignal zugehörig sind. Die ein oder mehreren Rauschparameter können mindestens eines von thermischem Rauschen und/oder Schrotrauschen aufweisen, welche dem empfangenen Lichtsignal zugehörig sind. Die Grundrauschen-Mess-Schaltung 702 kann eingerichtet sein, den durchschnittlichen Signalpegel des Rauschens unter Verwendung eines vordefinierten Modells zu schätzen, welches das Rauschen basierend auf den ein oder mehreren Rauschparametern darstellt. Anschaulich, zusätzlich oder alternativ zum Analysieren des detektierten analogen Signals (z.B. vom Transimpedanzverstärker) kann das Grundrauschen auch unter Verwendung der Messung von Sekundärparametern geschätzt werden. Das in dem detektierten Signal vorhandene Rauschen kann stark von der Temperatur (thermisches Rauschen), dem Umgebungslicht (Schrotrauschen) und von anderen Faktoren abhängen. Mittels Messens dieser Parameter und unter Verwendung eines geeigneten Rauschmodells kann die Grundrauschen-Mess-Schaltung 702 das Rauschen schätzen.
In einigen Aspekten kann die Trigger-Offset-Berechnungsschaltung 704 eingerichtet sein, einen Schwellenwert (für Peak-Identifizierung) unter Verwendung des geschätzten durchschnittlichen Signalpegels des Rauschens zu ermitteln, wie oben in Bezug auf 1D beschrieben wurde. Die Trigger-Offset-Berechnungsschaltung 704 kann eingerichtet sein, das Grundrauschen mit einem Offset-Wert zu kombinieren, um den Schwellenwert zu ermitteln (anschaulich, einen Trigger-Schwellenwert für die Peak-Detektion). In einigen Aspekten kann die Trigger-Offset-Berechnungsschaltung 704 eingerichtet sein, den Schwellenwert zu ermitteln, durch Addieren eines Offset-Werts zum geschätzten durchschnittlichen Signalpegel des Rauschens (z.B. durch Addieren eines Offsets zur durchschnittlichen Rauschleistung), z.B. falls eine logarithmische Repräsentation verwendet wird. In anderen Aspekten kann die Trigger-Offset-Berechnungsschaltung 704 eingerichtet sein, den Schwellenwert durch Multiplizieren des geschätzten durchschnittlichen Signalpegels des Rauschens mit einem Offset-Wert (z.B. mit einem Skalierungsfaktor) zu ermitteln, z.B. falls eine lineare Repräsentation verwendet wird. Als numerisches Beispiel kann der Offset-Wert bei einer linearen Skala durch einen Faktor im Bereich von 2 bis 10, z.B. 4, ausgedrückt werden. Als weiteres numerisches Beispiel kann der Offset-Wert bei einer logarithmischen Skala im Bereich zwischen 3 dB und 10 dB, z.B. 6 dB, gewählt werden.
7B zeigt ein Schaltungsäquivalent einer RMS-zu-DC-Wandlerschaltung 710 zum Ermitteln des Grundrauschens eines empfangenen Lichtsignals in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten. Andere Implementierungen einer RMS-zu-DC-Wandlerschaltung können in der Technik für die Grundrauschenschätzung auf elektrischer Ebene bekannt sein. Die Schaltung 710 kann einen Eingang 712 aufweisen, an dem das Eingangssignal (z.B. in Form einer Spannung) bereitgestellt werden kann. Das Eingangssignal kann einem Komparator 714 bereitgestellt werden, welcher eingerichtet ist, das Eingangssignal mit einem Signal zu vergleichen, welches an einem zweiten Eingang 716 (am Verstärker 714 über einen Widerstand 718, z.B. mit einem Widerstand von 8 kQ) bereitgestellt wird. Der Verstärker 714 kann mit einer Absolutwertschaltung 720 gekoppelt sein, und die Absolutwertschaltung 720 kann eingerichtet sein, ihren Ausgang an einen Squarer-Divider 722 bereitzustellen. Eine Ausgabe des Squarer-Dividers 722 kann einem Mittelwertkondensator 724 bereitgestellt werden. Ein mit dem Mittelwertkondensator 724 gekoppelter Knoten 726 kann ferner mit einem Vorspannungsabschnitt 728 gekoppelt sein. Der Vorspannungsabschnitt 728 kann mit einer Vorspannung (an einem ersten Eingang 730) und mit einem Abschaltsignal (an einem zweiten Eingang 732) versorgt werden. Der Squarer-Divider 722 kann ferner mit einem Transistor 734 gekoppelt sein, und der Transistor 734 kann mit einem Netzwerk gekoppelt sein, welches einen Widerstand 736 (z.B. mit einem Widerstand von 8 kQ) und einen Kondensator 738 aufweist.
8A zeigt eine Peakidentifizierung-Schaltung 800 in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten. Die Peakidentifizierung-Schaltung 800 kann eine beispielhafte Implementierung der in Bezug auf 6 beschriebenen Peakidentifizierung-Schaltung 606 sein.
Die Peakidentifizierung-Schaltung 800 kann eingerichtet sein, ein empfangenes Lichtsignal (an einem ersten Eingang 802) und Schwellenwertinformationen (an einem zweiten Eingang 804) zu empfangen. Die Schwellenwertinformationen können einen dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Schwellenwert aufweisen, z.B. wie er von einer Schwellenwertermittlungsschaltung (z.B. der oben beschriebenen Schwellenwertermittlungsschaltung 604, 700) ermittelt wird. Anschaulich kann die Peakidentifizierung-Schaltung 800 eingerichtet sein, die Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu identifizieren, mittels Vergleichens des empfangenen Lichtsignals mit dem Schwellenwert.
Die Peakidentifizierung-Schaltung 800 kann eine Multi-Peak-Trigger-Schaltung 806 aufweisen, welche eingerichtet ist, eine Sequenz von Trigger-Signalen gemäß dem empfangenen Signal und dem Schwellenwert zu erzeugen. Anschaulich kann die Multi-Peak-Trigger-Schaltung 806 eingerichtet sein, Peaks zu detektieren, welche höher als der Schwellenwert sind. In einer beispielhaften Implementierung kann die Multi-Peak-Trigger-Schaltung 806 einen Komparator aufweisen, beispielsweise in Kombination mit einem Schmitt-Trigger, um eine Hysterese hinzuzufügen. Ein erzeugtes Trigger-Signal kann anschaulich einem detektierten Peak (einem detektierten Lichtpuls) im empfangenen Lichtsignal entsprechen.
In einigen Aspekten kann die Multi-Peak-Trigger-Schaltung 806 eingerichtet sein, mindestens eines der Triggerschemata zu implementieren aus der Liste von Triggerschemata aufweisend oder bestehend aus: ein(em) Positive-Flanke-Triggerschema, ein(em) Negative-Flanke-Triggerschema, ein(em) Positive-und-Negative-Flanke-Triggerschema, ein(em) Schwellenwert-Triggerschema, ein(em) Schwellenwert-mit-Schmitt-Trigger-Triggerschema, ein(em) Pulsbreite-Triggerschema und/oder ein(em) Gradient-Triggerschema.
Die Multi-Peak-Trigger-Schaltung 806 kann eingerichtet sein, eine Sequenz digitalisierter Werte zu erzeugen, mittels Vergleichens des empfangenen Lichtsignals mit dem Schwellenwert. Die Multi-Peak-Trigger-Schaltung 806 kann eingerichtet sein, die Sequenz digitalisierter Werte mittels Implementierens eines der oben genannten Triggerschemata zu erzeugen. Die Multi-Peak-Trigger-Schaltung 806 kann eingerichtet sein, die Sequenz digitalisierter Werte zu erzeugen mittels Zuweisens eines ersten digitalisierten Werts zu den Abschnitten des empfangenen Lichtsignals, welche über dem Schwellenwert liegen (zu den Abschnitten des Lichtsignals, welche einen Signalpegel größer als den Schwellenwert haben), und mittels Zuweisens eines zweiten digitalisierten Werts zu den Abschnitten des empfangenen Lichtsignals, welche unter dem Schwellenwert liegen (zu den Abschnitten des Lichtsignals, welche einen Signalpegel kleiner als den Schwellenwert haben). Als ein Beispiel kann der erste digitalisierte Wert eine logische „1“ und der zweite digitalisierte Wert eine logische „0“ sein, oder umgekehrt.
In einigen Aspekten kann die Multi-Peak-Trigger-Schaltung 806 eingerichtet sein, ein Trigger-Signal für eine dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Laufzeitmessung bereitzustellen, z.B. bei Empfang des empfangenen Lichtsignals (z.B. bei Empfang des Lichtpulses des empfangenen Lichtsignals mit dem größten Signalpegel unter den Lichtpulsen des empfangenen Lichtsignals, z.B. bei Empfang des ersten Lichtpulses eines empfangenen Lichtsignals). Die Multi-Peak-Trigger-Schaltung 806 kann eingerichtet sein, das erzeugte Trigger-Signal an ein oder mehrere Prozessoren bereitzustellen, welche eingerichtet sind, die Laufzeit zu ermitteln.
In einigen Aspekten kann die Peakidentifizierung-Schaltung 800 ein Register 808 (ein Triggerereignis-Register) aufweisen, welches eingerichtet ist, die Ausgabe der Multi-Peak-Trigger-Schaltung 806 zu speichern. Das Register 808 kann eingerichtet sein, die von der Multi-Peak-Trigger-Schaltung 806 erzeugte Sequenz von Trigger-Signalen, z.B. die Sequenz digitalisierter Werte, zu speichern. Das Register 808 kann eingerichtet sein, die Sequenz von Trigger-Signalen, z.B. die Sequenz digitalisierter Werte, zu speichern, mittels Samplings der erzeugten Sequenz in vordefinierten Zeitintervallen. Anschaulich kann das Register 808 ermöglichen, eine Aufzeichnung eines Verlaufs von nachfolgend eintreffenden Triggerpulsen zusammen mit einem Maß zu behalten, welches es ermöglicht, die relative Zeit zwischen Triggerereignissen zu speichern. Das Register 808 kann einen seriellen Eingang und einen parallelen Ausgang aufweisen. Beispielhafte Implementierungen des Registers 808 sind in 8B und 8C dargestellt. In einer Implementierung kann das Register Triggerereignisse zu äquidistanten Zeitpunkten speichern und kann mittels eines getakteten Registers mit einem seriellen Eingang und einem parallelen Ausgang implementiert werden (siehe 8B). In einer anderen Implementierung kann das Register 808 eine angezapfte Verzögerungsleitung-basierte Umsetzung aufweisen (siehe 8C).
In einigen Aspekten kann die Peakidentifizierung-Schaltung 800 eine Peakdetektion-Schaltung 810 aufweisen, welche eingerichtet ist, die Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal basierend auf dem Inhalt des Registers 808 zu identifizieren. Die Peakdetektion-Schaltung 810 kann eingerichtet sein, die Anzahl von Peaks im empfangenen Lichtsignal unter Verwendung der erzeugten (und gespeicherten) Sequenz von Trigger-Signalen, z.B. der erzeugten (und gespeicherten) Sequenz digitalisierter Werte, zu identifizieren. Basierend auf der aus dem Register 808 ausgelesenen (digitalen) Signatur kann die Peakdetektion-Schaltung 810 schließlich ermitteln, wie viele Peaks detektiert wurden. Als ein Beispiel kann die Peakdetektion-Schaltung 810 ein oder mehrere Zähler aufweisen, welche eingerichtet sind, zu zählen, wie viele Triggerereignisse in der im Register 808 gespeicherten Sequenz aufgezeichnet sind. Als weiteres Beispiel kann die Peakdetektion-Schaltung 810 eingerichtet sein, die Anzahl von Peaks im empfangenen Lichtsignal zu identifizieren, mittels Vergleichens der erzeugten (und gespeicherten) Sequenz von Trigger-Signalen (der Sequenz digitalisierter Werte) mit einer oder mehreren bekannten Sequenzen (z.B. einer oder mehreren bekannten Sequenzen digitalisierter Werte). Anschaulich kann die Peakdetektion-Schaltung 810 eine Abbildungstabelle speichern oder eingerichtet sein, diese abzurufen, welche alle möglichen Signaturen, welche in dem Register gespeichert sind, auf die Anzahl von identifizierten Peaks abbildet. Dies kann als ein Korrelationsempfängeransatz verstanden werden. Es versteht sich, dass auch andere Umsetzungen möglich sind.
In einigen Aspekten kann eine Histogrammlösung bereitgestellt werden. Die Peakdetektion-Schaltung 810 kann eingerichtet sein, die Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal basierend auf dem Auftreten des ersten digitalisierten Werts in der Sequenz digitalisierter Werte (welche im Register 808 gespeichert ist) zu identifizieren. Anschaulich können das Register 808 und die Peakdetektion-Schaltung 810 angepasst sein, um ein Histogramm der eingehenden Detektionssignale bereitzustellen. Dies kann beispielsweise bereitgestellt werden, falls ein Array hochempfindlicher Photodetektoren verwendet wird, welche ein triggerähnliches Detektionssignal für Photonen bereitstellen, wenn sie eintreffen, z.B. falls Einzelphotonen-Lawinen-Photodioden (SPADs) verwendet werden. Das Histogramm mit angemessen ausgewählten Bins kann dann als integraler Bestandteil der Peakidentifizierung-Stufe angesehen werden, da Peaks im Histogramm Peaks im detektierten Signal anzeigen können. Bei dieser Implementierung kann das Register 808 mit einer höheren Rate getaktet werden.
8B zeigt ein Register 820 in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten. Das Register 820 kann eine beispielhafte Implementierung des in Bezug auf 8A beschriebenen Registers 808 sein.
Das Register 820 kann ein Schieberegister mit Flip-Flops sein. Anschaulich kann das Register 820 ein oder mehrere Flip-Flops aufweisen (z.B. ein erstes Flip-Flop 822-1, ein zweites Flip-Flop 822-2, ein drittes Flip-Flop 822-3, in dieser beispielhaften Implementierung), welche miteinander gekoppelt sind und eine parallele Ausgabe an den jeweiligen Ausgängen 824-1, 824-2, 824-3 (Q₀, Q₁, ..., Q_N) bereitstellen. Die Flip-Flops 822-1, 822-2, 822-3 können Daten an einem Eingang 826 des Registers 820 empfangen und können durch ein gemeinsames Taktsignal 828 getaktet werden.
8C zeigt eine Verzögerungsleitung 830 in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten. Die Verzögerungsleitung 830 kann zur Verwendung in einem Register vorgesehen sein (z.B. kann das Register 808 in einigen Aspekten die Verzögerungsleitung 830 aufweisen). Die Verzögerungsleitung 830 kann eine Vielzahl von Kondensatoren, z.B. in dieser beispielhaften Ausgestaltung einen ersten bis einen N-ten Kondensator 832-1, 832-2, 832-3, 832-4, 832-5, 832-6, 832-N, und eine Vielzahl von Induktoren, z.B. in dieser beispielhaften Ausgestaltung einen ersten bis einen N-ten Induktor 834-1, 834-2, 834-3, 834-4, 834-N, aufweisen. Anschaulich kann die Verzögerungsleitung 830 als eine Lumped-Parameter-Verzögerungsleitung eingerichtet sein. Die Verzögerungsleitung 830 kann dafür sorgen, dass ein an der Verzögerungsleitung 830 bereitgestelltes Signal verzögert wird (am Ausgang der Verzögerungsleitung 830).
9A und 9B zeigen ein jeweiliges Lichtdetektionssystem 900a, 900b in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten. Diese Lichtdetektionssysteme 900a, 900b können eine beispielhafte Umsetzung des in Bezug auf 4 beschriebenen Lichtdetektionssystems 400 sein.
Die Lichtdetektionssysteme 900a, 900b können einen Detektor 902 (z.B. eine beispielhafte Umsetzung des oben beschriebenen Detektors 402, 500), z.B. aufweisend eine Photodiode 904 und einen Transimpedanzverstärker 906, aufweisen, welcher eingerichtet ist, ein empfangenes Lichtsignal an eine Verarbeitungsschaltung 908a, 908b (z.B. eine beispielhafte Umsetzung der oben beschriebenen Verarbeitungsschaltung 406, 600) bereitzustellen.
Die Verarbeitungsschaltung 908a, 908b kann eine Schwellenwertermittlungsschaltung 910 (z.B. eine beispielhafte Umsetzung der oben beschriebenen Schwellenwertermittlungsschaltung 604, 700) aufweisen, z.B. aufweisend eine Grundrauschen-Mess-Schaltung 912 (z.B. eingerichtet wie die oben beschriebene Grundrauschen-Mess-Schaltung 702) und eine Trigger-Offset-Berechnungsschaltung 914 (z.B. eingerichtet wie die oben beschriebene Trigger-Offset-Berechnungsschaltung 704).
Die Verarbeitungsschaltung 908a, 908b kann eine Peakidentifizierung-Schaltung 916 aufweisen (z.B. eine beispielhafte Umsetzung der oben beschriebenen Peakidentifizierung-Schaltung 606, 800). Die Peakidentifizierung-Schaltung 916 kann eine Multi-Peak-Trigger-Schaltung 918 (eingerichtet, das Signal von dem Detektor 902 und den Trigger-Schwellenwert von der Schwellenwertermittlungsschaltung 910 zu empfangen) aufweisen, wobei die Multi-Peak-Trigger-Schaltung 918 wie die oben beschriebene Multi-Peak-Trigger-Schaltung 806 eingerichtet sein kann. Die Peakidentifizierung-Schaltung 916 kann ein Triggerereignis-Register 920 aufweisen, welches eingerichtet ist, die Ausgabe der Multi-Peak-Trigger-Schaltung 918 zu speichern. Das Triggerereignis-Register 920 kann wie das oben beschriebene Register 808 eingerichtet sein. Die Peakidentifizierung-Schaltung 916 kann eine Peakdetektion-Schaltung 922 aufweisen, welche eingerichtet ist, Peaks im empfangenen Lichtsignal basierend auf dem Inhalt des Triggerereignis-Registers 920 zu identifizieren. Die Peakdetektion-Schaltung 922 kann wie die oben beschriebene Peakdetektion-Schaltung 810 eingerichtet sein.
Die Peakidentifizierung-Schaltung 916 kann eingerichtet sein, ein Rücksetz-Signal 926 zu empfangen, z.B. um das Triggerereignis-Register 920 zurückzusetzen (um das Triggerereignis-Register 920 aufzufrischen).
Die Verarbeitungsschaltung 908a, 908b kann eine SNR-Schätzschaltung 924 aufweisen, welche eingerichtet ist, das dem empfangenen Lichtsignal zugehörige Signal-Rausch-Verhältnis (und die dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Amplitudeninformationen) zu ermitteln. Die SNR-Schätzschaltung 924 kann wie die oben beschriebene SNR-Schätzschaltung 608 eingerichtet sein.
In der Konfiguration des Lichtdetektionssystems 900a in 9A kann das Lichtdetektionssystem 900a einen ToF-Trigger 928 (z.B. einen Schmitt-Trigger) aufweisen, welcher eingerichtet ist, ein Trigger-Signal als Reaktion auf das empfangene Lichtsignal bereitzustellen, und eingerichtet ist, das Trigger-Signal für Laufzeitmessung bereitzustellen (z.B. das Trigger-Signal an einen oder mehrere Prozessoren des Lichtdetektionssystems 900a bereitzustellen, z.B. an eine Laufzeitmessschaltung).
In der Konfiguration des Lichtdetektionssystems 900b in 9B kann die Multi-Peak-Trigger-Schaltung 918 eingerichtet sein, das Trigger-Signal für eine Laufzeitmessung bereitzustellen (z.B. das Trigger-Signal an einen oder mehrere Prozessoren des Lichtdetektionssystems 900b bereitzustellen, z.B. an eine Laufzeitmessschaltung) .
Ein Lichtdetektionssystem, welches wie hierin beschrieben eingerichtet ist, kann dafür sorgen, dass mehrere Komponenten, welche in den ToF-Messung- und SNR-Schätzung-Pfaden verwendet werden, wiederverwendet werden können, und so eine Möglichkeit für eine Stückliste (BOM)-Kostenreduktion bereitstellt. Als ein Beispiel kann die Multi-Trigger-Schaltung sowohl für die ToF-Messung als auch für die SNR-Schätzung verwendet werden. Auch die Grundrauschen-Mess- und Trigger-Offset-Berechnungsschaltung, welche für die Aufgabe der SNR-Schätzung eingeführte wurden, können für die Aufgabe der ToF-Messung vorteilhaft sein.
10 zeigt ein LIDAR-System 1000 in einer schematischen Ansicht gemäß verschiedenen Aspekten. Das LIDAR-System 1000 kann ein Lichtemissionssystem 1002 und ein Lichtdetektionssystem 1004 aufweisen. Das Lichtdetektionssystem 1004 kann wie hierin beschrieben eingerichtet sein, z.B. kann es wie das Lichtdetektionssystem 400, 900a, 900b eingerichtet sein, welches in Bezug auf 4, 9A, und 9B beschrieben wurde. Das Lichtemissionssystem 1002 kann eingerichtet sein, Licht (in einem Sichtfeld 1006 des LIDAR-Systems 1000) zu emittieren, und das Lichtdetektionssystem 1004 kann eingerichtet sein, das vom Lichtemissionssystem 1002 emittierte Licht (aus dem Sichtfeld 1006) zu detektieren.
Das Lichtemissionssystem 1002 kann eingerichtet sein, ein Lichtsignal zu emittieren, z.B. ein angepasstes Lichtsignal, welches wie in Bezug auf 2A bis 2G beschrieben eingerichtet ist. Anschaulich kann das Lichtemissionssystem 1002 eingerichtet sein, ein (erstes) Lichtsignal mit einer (ersten) Vielzahl von Peaks zu emittieren. Das emittierte Lichtsignal kann eine (erste) Vielzahl von Lichtpulsen aufweisen, welche jeweils einem jeweiligen Peak zugehörig sind.
Das Lichtemissionssystem 1002 kann eine Lichtquelle (nicht dargestellt) aufweisen, welche eingerichtet ist, Licht mit einer vordefinierten Wellenlänge zu emittieren, beispielsweise im Infrarot- und/oder nahen Infrarotbereich, wie im Bereich von etwa 700 nm bis etwa 5000 nm, beispielsweise im Bereich von etwa 860 nm bis etwa 1600 nm, oder beispielsweise bei 905 nm oder 1550 nm. Die Lichtquelle kann eingerichtet sein, Licht in gepulster Weise zu emittieren, beispielsweise kann die Lichtquelle eingerichtet sein, ein oder mehrere Lichtpulse (z.B. eine Sequenz von Lichtpulsen) zu emittieren. In einigen Aspekten kann die Lichtquelle eine Laserquelle aufweisen. Beispielsweise kann die Lichtquelle eine oder mehrere Laserdioden aufweisen, z.B. eine oder mehrere kantenemittierende Laserdioden oder eine oder mehrere oberflächenemittierende Laserdioden. Die Lichtquelle kann eingerichtet sein, einen oder mehrere Laserpulse zu emittieren, z.B. eine Sequenz von Laserpulsen.
Der Detektor des Lichtdetektionssystems 1004 kann eingerichtet sein, das (erste) emittierte Lichtsignal (z.B. eine verrauschte Version davon) zu empfangen und ein empfangenes (erstes) Lichtsignal bereitzustellen. Die Verarbeitungsschaltung des Lichtdetektionssystems 1004 kann eingerichtet sein, eine Anzahl von Peaks in dem empfangenen (ersten) Lichtsignal zu identifizieren und ein dem empfangenen (ersten) Lichtsignal zugehöriges Signal-Rausch-Verhältnis basierend auf der Anzahl von identifizierten Peaks zu ermitteln. In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung des Lichtdetektionssystems 1004 eingerichtet sein, ein dem empfangenen (ersten) Lichtsignal zugehöriges Signal-Rausch-Verhältnis zu ermitteln, basierend auf einem Vergleich der Anzahl von identifizierten Peaks mit einer Anzahl von Peaks der (ersten) Vielzahl von Peaks (des emittierten Lichtsignals).
Die Verfügbarkeit von SNR- und/oder Amplitudeninformationen das LIDAR-System 1000 kann fortschrittlichere adaptive ToF-Messschemata bereitstellen, welche mit einer herkömmlichen TDCbasierten Architektur nicht möglich wären. Die Verfügbarkeit von SNR- und/oder Amplitudeninformationen ermöglicht es, flexibel basierend auf der aktuellen Situation zu reagieren. Es kann möglich sein, Systemeinstellungen über die Zeit anzupassen und adaptiv zu sein, wie unten noch detaillierter beschrieben wird.
Dies kann eine Verbesserung der Systemleistung und Energieeffizienz bieten oder kann das System vielseitiger und robuster in einer Vielzahl von Situationen machen.
In einigen Aspekten kann eine SNR-abhängige Leistungssteuerung bereitgestellt werden. Das Lichtemissionssystem 1002 kann ferner eingerichtet sein, ein weiteres (zweites) Lichtsignal zu emittieren und eine Leistung des zweiten Lichtsignals gemäß dem dem ersten Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnis anzupassen. Das Lichtemissionssystem 1002 kann eingerichtet sein, das zweite Lichtsignal mit erhöhter Leistung in Bezug auf das erste Lichtsignal zu emittieren, falls das dem ersten Lichtsignal zugehörige Signal-Rausch-Verhältnis unter einem vordefinierten Schwellenwert liegt. Das Lichtemissionssystem 1002 kann eingerichtet sein, eine Differenz zwischen den jeweiligen Peak-Leistungen, welche verschiedenen Peaks der zweiten Vielzahl von Peaks zugehörig sind, gemäß dem dem ersten Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnis anzupassen. Anschaulich können die Systeme mit einer Konfiguration beginnen, in welcher nicht die volle optische Leistung emittiert wird (z.B. kann eine Übersichtsaufnahme bereitgestellt werden). Nach der Identifizierung von Bereichen im Sichtfeld, welche einen niedrigen SNR haben, kann die Leistung für diese Bereiche im Sichtfeld erhöht werden, um bessere Messungen zu erreichen. Ein solcher adaptiver Ansatz kann es ermöglichen, flexiblere Kompromisse zwischen Reichweite/Signalintegrität und Energieverbrauch/Augensicherheit zu erzielen. Das Gleiche kann basierend auf Amplitudeninformationen zusätzlich oder alternativ zu den SNR-Informationen gelten.
In einigen Aspekten kann eine SNR-abhängige Grobstrahllenkung bereitgestellt werden, z.B. kann das Lichtemissionssystem 1002 ein Groblenkungselement (wie ein Flüssigkristall-Polarisationsgitter, LCPG) aufweisen und eingerichtet sein, das Groblenkungselement gemäß dem geschätzten SNR zu steuern. Anschaulich können die SNR-Informationen verwendet werden, um das grobe Abtastmuster anzupassen, z.B. wie es in LCPG-basierten Systemen verwendet wird. Das Gleiche kann basierend auf Amplitudeninformationen zusätzlich oder alternativ zu den SNR-Informationen gelten.
In einigen Aspekten kann eine SNR-abhängige Signalmittelung bereitgestellt werden. Das Lichtemissionssystem 1002 kann ferner eingerichtet sein, ein zweites Lichtsignal zu emittieren. Der Detektor des Lichtdetektionssystems 1004 kann eingerichtet sein, das zweite Lichtsignal zu empfangen, und die Verarbeitungsschaltung des Lichtdetektionssystems 1004 kann eingerichtet sein, eine Anzahl von Mittelungszyklen zur Ermittlung eines durchschnittlichen Signalpegels des dem empfangenen zweiten Lichtsignal zugehörigen Rauschens gemäß dem dem ersten Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnis anzupassen. Anschaulich können die SNR-Informationen dazu verwendet werden, die Anzahl der Signalmittelungszyklen am Detektor anzupassen, welche zur Verbesserung des SNR verwendet werden. Das Gleiche kann basierend auf Amplitudeninformationen zusätzlich oder alternativ zu den SNR-Informationen gelten.
In einigen Aspekten kann ein adaptives Messschema bereitgestellt werden, bei dem das Lichtemissionssystem 1002 eingerichtet ist, das/die emittierte(n) Lichtsignal(e) anzupassen, um eine Auflösung der SNR-Messung anzupassen. Unter der Annahme, dass nur eine kleine Anzahl N von Sub-Pulsen effektiv für die SNR- und/oder Amplitudenschätzung verwendet werden kann, kann es vorteilhaft sein, eine adaptive SNR- und/oder Amplitudenschätzung bereitzustellen, welche in nachfolgenden Schritten adaptiv verfeinert wird.
Als ein Beispiel für das adaptive Messschema kann die SNR-Messung mit einem groben Treppensignal beginnen, z.B. unter Verwendung von 7 Sub-Pulsen und einer relativ großen Schrittweite von Δ₀ = 12dB, welche einen Dynamikbereich von 72dB abdeckt. Der Multipuls kann die folgende Konfiguration haben: [0dB (Hauptpuls), -12dB, -24dB, -36dB, -48dB, -60dB, -72dB]. Nach Schätzen des SNR mit einer groben Granularität von Δ₀ = 12dB und Ermitteln der Reichweite der groben Messung, z.B. -36dB < SNR_grob <= -48dB, könnte eine Treppe konstruiert werden, welche einen Hauptpuls für die Abstandsmessung (gleiche Amplitude wie zuvor) und ein verkettetes Treppensignal mit 6 Sub-Pulsen aufweist, welche die Reichweite der Grobmessung mit einer feineren Auflösung und einer Schrittweite von Δ₁ = 2dB abdecken, z.B. -38dB, -40dB, -42dB, -44dB, -46dB, -48dB. Der (zweite) Multipuls kann die folgende Konfiguration haben: [0dB (Hauptpuls), -38dB, -40dB, -42dB, -44dB, -46dB, -48dB]. Somit würde mittels Kombinierens der Ergebnisse des Anfang- und des Verfeinerungsschritts die virtuelle Granularität der SNR-Messung von Δ₁ = 2dB für den gesamten Dynamikbereich von 72dB sein, was zu einer virtuellen Auflösung von 36 führt.
Das beschriebene adaptive Messschema kann mit mehreren Verfeinerungsschritten durchgeführt werden, was den Dynamikbereich und/oder die Auflösung verbessert. Treppen können auf unterschiedliche Weise konstruiert werden. Auch kann das Verfahren mit Amplitudenmessungen als Referenz durchgeführt werden.
In einigen Aspekten kann ein emittiertes Lichtsignal für Datenübertragung verwendet werden. Es können Protokolle formuliert werden, welche Multipuls-Signale (z.B. Treppensignale) zusammen mit Rückmeldungssignalen verwenden, um geeignete Signalisierungsparameter für Datenübertragung zu identifizieren (z.B. zum Identifizieren einer geeigneten Konstellationsgröße, von Entzerrungsparametern, usw.).
In einigen Aspekten können fortschrittlichere Pulsdetektionsschemata bereitgestellt werden. Die fortschrittlicheren Pulsdetektionsschemata können aufweisen: Suchen eines Pulses; Suchen eines Pulses und anschließend Suchen der Abwesenheit eines Pulses; Suchen einer Sequenz von Pulsen; Suchen einer Sequenz von Pulsen und abwesenden Pulsen; Verwenden von relativen Trigger-Parametern für die obigen Schemata, z.B. ein Schwellenwert, welcher für Pulse abnimmt, welche näher an dem Grundrauschen liegen (spätere Pulse in der Treppe). Bei relativen Triggern kann es unter dem Implementierungs-Komplexitätsaspekt vorteilhaft sein, ein „ansteigendes Treppensignal“ zu verwenden. In einigen Aspekten kann das Signal gefiltert werden, z.B. Tiefpassgefiltert.
Im Folgenden werden verschiedene Aspekte dieser Offenbarung erklärt.
Beispiel 1 ist ein Lichtdetektionssystem aufweisend: einen Detektor eingerichtet, ein empfangenes Lichtsignal bereitzustellen; und eine Verarbeitungsschaltung eingerichtet: eine Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu identifizieren, und ein dem empfangenen Lichtsignal zugehöriges Signal-Rausch-Verhältnis basierend auf der Anzahl von identifizierten Peaks zu schätzen.
In Beispiel 2 kann der Gegenstand des Beispiels 1 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, eine digitalisierte Repräsentation des empfangenen Lichtsignals bereitzustellen.
In Beispiel 3 kann der Gegenstand des Beispiels 2 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, das empfangene Lichtsignal durch eine Zeit-Digital-Wandlung umzuwandeln, um die digitalisierte Repräsentation des empfangenen Lichtsignals bereitzustellen.
In Beispiel 4 kann der Gegenstand eines der Beispiele 1 bis 3 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, das dem empfangenen Lichtsignal zugehörige Signal-Rausch-Verhältnis zu schätzen, unter Verwendung einer voreingestellten Differenz zwischen den jeweiligen Signalpegeln, welche verschiedenen Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zugehörig sind.
In Beispiel 5 kann der Gegenstand des Beispiels 4 optional ferner aufweisen, dass das empfangene Lichtsignal mindestens einen ersten Peak mit einer ersten Peak-Leistung und einen zweiten Peak mit einer zweiten Peak-Leistung, welche sich von der ersten Peak-Leistung unterscheidet, aufweist und dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, das dem empfangenen Lichtsignal zugehörige Signal-Rausch-Verhältnis zu schätzen, unter Verwendung einer voreingestellten Differenz zwischen der ersten Peak-Leistung und der zweiten Peak-Leistung
In Beispiel 6 kann der Gegenstand eines der Beispiele 1 bis 5 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, die Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu identifizieren, mittels Vergleichens des empfangenen Lichtsignals mit einem Schwellenwert.
In Beispiel 7 kann der Gegenstand des Beispiels 6 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, eine Sequenz digitalisierter Werte zu erzeugen, mittels Vergleichens des empfangenen Lichtsignals mit dem Schwellenwert.
In Beispiel 8 kann der Gegenstand des Beispiels 7 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, die Sequenz digitalisierter Werte zu erzeugen, mittels Zuweisens eines ersten digitalisierten Werts zu den Abschnitten des empfangenen Lichtsignals, welche über dem Schwellenwert liegen, und mittels Zuweisens eines zweiten digitalisierten Werts zu den Abschnitten des empfangenen Lichtsignals, welche unter dem Schwellenwert liegen.
In Beispiel 9 kann der Gegenstand des Beispiels 7 oder 8 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, die Sequenz digitalisierter Werte zu erzeugen, mittels Implementierens mindestens eines der Triggerschemata aus der Liste von Triggerschemata aufweisend oder bestehend aus: ein(em) Positive-Flanke-Triggerschema, ein(em) Negative-Flanke-Triggerschema, ein(em) Positive-und-Negative-Flanke-Triggerschema, ein(em) Schwellenwert-Triggerschema, ein(em) Schwellenwert-mit-Schmitt-Trigger-Triggerschema, ein(em) Pulsbreite-Triggerschema und/oder ein(em) Gradient-Triggerschema.
In Beispiel 10 kann der Gegenstand eines der Beispiele 7 bis 9 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, die Sequenz digitalisierter Werte zu speichern.
In Beispiel 11 kann der Gegenstand des Beispiels 10 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, die Sequenz digitalisierter Werte zu speichern, mittels Samplings der erzeugten Sequenz digitalisierter Werte in vordefinierten Zeitintervallen.
In Beispiel 12 kann der Gegenstand eines der Beispiele 7 bis 11 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, die Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu identifizieren, unter Verwendung der erzeugten Sequenz digitalisierter Werte.
In Beispiel 13 kann der Gegenstand eines der Beispiele 8 bis 12 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, die Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal basierend auf dem Auftreten des ersten digitalisierten Werts in der Sequenz digitalisierter Werte zu identifizieren.
In Beispiel 14 kann der Gegenstand eines der Beispiele 8 bis 13 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, die Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu identifizieren, mittels Vergleichens der erzeugten Sequenz digitalisierter Werte mit einer oder mehreren bekannten Sequenzen digitalisierter Werte.
In Beispiel 15 kann der Gegenstand eines der Beispiele 1 bis 14 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, einen durchschnittlichen Signalpegel des dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Rauschens zu schätzen.
In Beispiel 16 kann der Gegenstand des Beispiels 15 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, den durchschnittlichen Signalpegel des Rauschens zu schätzen, unter Verwendung eines oder mehrerer Rauschparameter, welche dem empfangenen Lichtsignal zugehörig sind.
In Beispiel 17 kann der Gegenstand des Beispiels 16 optional ferner aufweisen, dass die ein oder mehreren Rauschparameter mindestens eines von thermischem Rauschen und/oder Schrotrauschen aufweisen, welche dem empfangenen Lichtsignal zugehörig sind.
In Beispiel 18 kann der Gegenstand eines der Beispiele 15 bis 17 optional ferner aufweisen, dass der Detektor eingerichtet ist ein dem empfangenen Lichtsignal zugehöriges analoges Signal bereitzustellen, und dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, den durchschnittlichen Signalpegel des Rauschens durch Quadrieren und Durchschnittberechnung des dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen analogen Signals zu schätzen.
In Beispiel 19 kann der Gegenstand eines der Beispiele 15 bis 18 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, den Schwellenwert unter Verwendung des geschätzten durchschnittlichen Signalpegels des Rauschens zu ermitteln.
In Beispiel 20 kann der Gegenstand des Beispiels 19 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, den Schwellenwert zu ermitteln, durch Addieren eines Offset-Werts zum geschätzten durchschnittlichen Signalpegel des Rauschens.
In Beispiel 21 kann der Gegenstand der Beispiele 4 und 6 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, das dem empfangenen Lichtsignal zugehörige Signal-Rausch-Verhältnis zu schätzen, durch Subtrahieren von eins von der Anzahl der identifizierten Peaks, durch Multiplizieren des Ergebnisses der Subtraktion mit der bekannten Differenz zwischen den jeweiligen Signalpegeln, welche verschiedenen Peaks zugehörig sind, und durch Addieren des Ergebnisses der Multiplikation zu dem Schwellenwert.
In Beispiel 22 kann der Gegenstand eines der Beispiele 1 bis 21 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung ferner eingerichtet ist, einen Signalpegel von mindestens einem Peak der identifizierten Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu schätzen.
In Beispiel 23 kann der Gegenstand des Beispiels 22 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, den Signalpegel des Peaks mit dem größten Signalpegel unter den identifizierten Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu schätzen.
In Beispiel 24 kann der Gegenstand des Beispiels 22 oder 23 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, den Signalpegel des Peaks mit dem größten Signalpegel zu schätzen, unter Verwendung des geschätzten Signal-Rausch-Verhältnisses und des geschätzten Signalpegels des dem empfangenen Lichtsignals zugehörigen Rauschens.
In Beispiel 25 kann der Gegenstand eines der Beispiele 1 bis 24 optional ferner aufweisen, dass der Detektor eine Photodiode aufweist, welche eingerichtet ist, ein analoges Signal als Reaktion auf das auf die Photodiode auftreffende empfangene Lichtsignal bereitzustellen.
In Beispiel 26 kann der Gegenstand des Beispiels 25 optional ferner aufweisen, dass der Detektor ferner eine Verstärkerschaltung aufweist, welche eingerichtet ist, ein zweites analoges Signal durch Verstärkung des ersten analogen Signals bereitzustellen.
In Beispiel 27 kann der Gegenstand des Beispiels 26 optional ferner aufweisen, dass die Verstärkerschaltung einen Transimpedanzverstärker aufweist.
In Beispiel 28 kann der Gegenstand eines der Beispiele 25 bis 27 optional ferner aufweisen, dass die Photodiode mindestens eine von einer PIN-Fotodiode, einer Lawinen-Photodiode, einer Einzelphotonen-Lawinendiode oder einem Silizium-Photomultiplizierer aufweist.
In Beispiel 29 kann der Gegenstand eines der Beispiele 25 bis 28 optional ferner aufweisen, dass die Photodiode eingerichtet ist, ein jeweiliges Signal für jedes Photon bereitzustellen, welches auf die Photodiode auftrifft.
In Beispiel 30 kann der Gegenstand eines der Beispiele 25 bis 29 optional ferner aufweisen, dass die Photodiode eingerichtet ist, ein analoges Gesamtsignal bereitzustellen, welches die Ankunft von einem oder mehreren Photonen an der Photodiode über ein oder mehrere Zeitintervalle repräsentiert.
In Beispiel 31 kann der Gegenstand des Beispiels 30 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, ein digitalisiertes Gesamtsignal unter Verwendung des analogen Gesamtsignals zu erzeugen, und die ein oder mehreren Peaks in dem empfangenen Lichtsignal basierend auf dem digitalisierten Gesamtsignal zu identifizieren.
In Beispiel 32 kann der Gegenstand des Beispiels 31 optional ferner aufweisen, dass das digitalisierte Gesamtsignal ein oder mehrere erste digitalisierte Signale, welche einem Vorhandensein eines Photons zugehörig sind, und ein oder mehrere zweite digitalisierte Signale, welche einer Abwesenheit eines Photons zugehörig sind, aufweist, und dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, die Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal basierend auf dem Auftreten des ersten digitalisierten Signals in dem digitalisierten Gesamtsignal zu identifizieren.
In Beispiel 33 kann der Gegenstand eines der Beispiele 1 bis 32 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist, ein Trigger-Signal als Reaktion auf das empfangene Lichtsignal zu erzeugen.
In Beispiel 34 kann der Gegenstand des Beispiels 33 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung ferner eingerichtet ist, eine dem empfangenen Lichtsignal zugehörige Laufzeit unter Verwendung des erzeugten Trigger-Signals zu ermitteln.
Beispiel 35 ist ein LIDAR-System aufweisend ein Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 34.
Beispiel 36 ist ein System aufweisend: das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 34; und ein Lichtsignal, welches an dem Lichtdetektionssystem empfangen wird.
In Beispiel 37 kann der Gegenstand des Beispiels 36 optional ferner aufweisen, dass das Lichtsignal eine Vielzahl von Lichtpulsen aufweist, und dass jeder Lichtpuls der Vielzahl von Lichtpulsen einem jeweiligen Peak zugehörig ist. Anschaulich kann jeder Lichtpuls der Vielzahl von Lichtpulsen einem jeweiligen Signalpegel (an dem zugehörigen Peak) zugehörig sein.
In Beispiel 38 kann der Gegenstand des Beispiels 37 optional ferner aufweisen, dass die Lichtpulse der Vielzahl von Lichtpulsen eine von einer rechteckigen Form, einer quadratischen Form, einer Gaußschen Form, oder einer sinusförmigen Form haben.
In Beispiel 39 kann der Gegenstand des Beispiels 36 optional ferner aufweisen, dass das Lichtsignal ein amplitudenmoduliertes Lichtsignal aufweisend eine Vielzahl von Peaks aufweist.
In Beispiel 40 kann der Gegenstand eines der Beispiel 36 bis 39 optional ferner aufweisen, dass das Lichtsignal mindestens einen ersten Lichtpuls, welcher eine erste Amplitude und eine erste Peak Leistung hat, und einen zweiten Lichtpuls, welcher eine zweite Amplitude und eine zweite Peak-Leistung hat, aufweist, und dass die erste Amplitude größer ist als die zweite Amplitude und/oder dass die erste Peak-Leistung größer ist als die zweite Peak-Leistung.
In Beispiel 41 kann der Gegenstand des Beispiels 40 optional ferner aufweisen, dass das Lichtsignal einen dritten Lichtpuls aufweist, welcher eine dritte Amplitude und eine dritte Peak-Leistung hat, und dass die zweite Amplitude größer ist als die dritte Amplitude und/oder dass die zweite Peak-Leistung größer ist als die dritte Peak-Leistung.
In Beispiel 42 kann der Gegenstand des Beispiels 41 optional ferner aufweisen, dass eine Differenz zwischen der ersten Amplitude und der zweiten Amplitude gleich der Differenz zwischen der zweiten Amplitude und der dritten Amplitude ist, und/oder dass eine Differenz zwischen der ersten Peak-Leistung und der zweiten Peak-Leistung gleich einer Differenz zwischen der zweiten Peak-Leistung und der dritten Peak-Leistung ist.
In Beispiel 43 kann der Gegenstand des Beispiels 42 optional ferner aufweisen, dass eine Differenz zwischen der ersten Peak-Leistung und der zweiten Peak-Leistung in dem Bereich von 3 dB bis 20 dB in einer logarithmischen Skala liegt, beispielsweise in dem Bereich von 6 dB bis 10 dB, beispielsweise gleich oder kleiner als 10 dB.
In Beispiel 44 kann der Gegenstand des Beispiels 43 optional ferner aufweisen, dass die zweite Peak-Leistung gleich oder kleiner als 90% der ersten Peak-Leistung in einer linearen Skala ist.
In Beispiel 45 kann der Gegenstand eines der Beispiele 36 bis 44 optional ferner aufweisen, dass das Lichtsignal eine Vielzahl von Lichtpulsen aufweist, und dass ein Peak-zu-Peak-Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen in dem Bereich von etwa 50 ps bis etwa 50 ns liegt.
In Beispiel 46 kann der Gegenstand des Beispiels 45 optional ferner aufweisen, dass das Lichtsignal mindestens einen ersten Lichtpuls, einen zweiten Lichtpuls und einen dritten Lichtpuls aufweist, und dass ein erster Peak-zu-Peak-Abstand zwischen dem ersten Lichtpuls und dem zweiten Lichtpuls gleich einem zweiten Peak-zu-Peak-Abstand zwischen dem zweiten Lichtpuls und dem dritten Lichtpuls ist.
Beispiel 47 ist ein LIDAR-System aufweisend: ein Lichtemissionssystem eingerichtet, ein Lichtsignal, aufweisend eine Vielzahl von Peaks, zu emittieren; und ein Lichtdetektionssystem aufweisend: einen Detektor eingerichtet, das Lichtsignal zu empfangen, und eine Verarbeitungsschaltung eingerichtet, eine Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu identifizieren, und ein dem empfangenen Lichtsignal zugehöriges Signal-Rausch-Verhältnis basierend auf der Anzahl von identifizierten Peaks zu ermitteln.
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung eingerichtet sein, das dem empfangenen Lichtsignal zugehörige Signal-Rausch-Verhältnis zu ermitteln, basierend auf einem Vergleich der Anzahl der identifizierten Peaks mit einer Anzahl von Peaks der ersten Vielzahl von Peaks.
In Beispiel 48 kann der Gegenstand des Beispiels 47 optional ferner aufweisen, dass das Lichtemissionssystem ferner eingerichtet ist, ein zweites Lichtsignal zu emittieren und eine Leistung des zweiten Lichtsignals gemäß dem dem ersten Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnis anzupassen.
In Beispiel 49 kann der Gegenstand des Beispiels 48 optional ferner aufweisen, dass das Lichtemissionssystem ferner eingerichtet ist, das zweite Lichtsignal mit erhöhter Leistung in Bezug auf das erste Lichtsignal zu emittieren, falls das dem ersten Lichtsignal zugehörige Signal-Rausch-Verhältnis unter einem vordefinierten Schwellenwert liegt.
In Beispiel 50 kann der Gegenstand des Beispiels 48 oder 49 optional ferner aufweisen, dass das zweite Lichtsignal eine zweite Vielzahl von Peaks aufweist, und dass das Lichtemissionssystem eingerichtet ist, eine Differenz zwischen den jeweiligen Peak-Leistungen, welche verschiedenen Peaks der zweiten Vielzahl von Peaks zugehörig sind, gemäß dem dem ersten Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnis anzupassen.
In Beispiel 51 kann der Gegenstand eines der Beispiele 47 bis 50 optional ferner aufweisen, dass das Lichtemissionssystem ferner eingerichtet ist, ein zweites Lichtsignal zu emittieren, dass der Detektor des Lichtdetektionssystems eingerichtet ist, das zweite Lichtsignal zu empfangen, und dass die Verarbeitungsschaltung des Lichtdetektionssystems eingerichtet ist, eine Anzahl von Mittelungszyklen zur Ermittlung eines durchschnittlichen Signalpegels des dem empfangenen zweiten Lichtsignal zugehörigen Rauschens gemäß dem dem ersten Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnis anzupassen.
Beispiel 52 ist ein Verfahren des Schätzens eines einem Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnisses, das Verfahren aufweisend: Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals; Identifizieren einer Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal; und Schätzen eines dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnisses basierend auf der Anzahl von identifizierten Peaks.
Das Verfahren des Beispiels 52 kann optional gegebenenfalls ferner eines, mehrere oder jedes der in den Beispielen 1 bis 46 genannten Merkmale aufweisen.
Während verschiedene Implementierungen insbesondere unter Bezugnahme auf spezifische Aspekte gezeigt und beschrieben worden sind, sollten Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail darin gemacht werden können, ohne von dem wie durch die beigefügten Ansprüche definierten Geist und Umfang abzuweichen. Der Umfang wird somit durch die beigefügten Ansprüche angegeben, und alle Änderungen, die in die Bedeutung und den Bereich einer Äquivalenz der Ansprüche fallen, sind deshalb als inbegriffen beabsichtigt.
Bezugszeichenliste

100: Verfahren
110: Verfahrensschritt
120: Verfahrensschritt
130: Verfahrensschritt
150b: Diagramm
150c: Diagramm
150d: Diagramm
152: Lichtsignal
154: empfangenes Lichtsignal
156-1: erster Peak
156-2: zweiter Peak
156-3: dritter Peak
156-4: vierter Peak
156-5: fünfter Peak
158: Rauschen
160: Grundrauschen
162: Schwellenwert
164: Offset-Wert
200a: Diagramm
200b: Diagramm
200c: Diagramm
200d: Diagramm
200e: Diagramm
200f: Diagramm
200g: Diagramm
202a: angepasstes Lichtsignal
202b: angepasstes Lichtsignal
202c: angepasstes Lichtsignal
202d: angepasstes Lichtsignal
202e: angepasstes Lichtsignal
202f: angepasstes Lichtsignal
202g: angepasstes Lichtsignal
204a: Lichtpulse
204a-1: erster Lichtpuls
204a-2: zweiter Lichtpuls
204a-3: dritter Lichtpuls
204a-4: vierter Lichtpuls
204a-5: fünfter Lichtpuls
204b: Lichtpulse
204b-1: erster Lichtpuls
204b-2: zweiter Lichtpuls
204b-3: dritter Lichtpuls
204b-4: vierter Lichtpuls
204b-5: fünfter Lichtpuls
204c: Lichtpulse
204c-1: erster Lichtpuls
204c-2: zweiter Lichtpuls
204c-3: dritter Lichtpuls
204c-4: vierter Lichtpuls
204c-5: fünfter Lichtpuls
204d: Lichtpulse
204d-1: erster Lichtpuls
204d-2: zweiter Lichtpuls
204d-3: dritter Lichtpuls
204d-4: vierter Lichtpuls
204d-5: fünfter Lichtpuls
204d-6: sechster Lichtpuls
204d-7: siebter Lichtpuls
204d-8: achter Lichtpuls
204e: Lichtpulse
204e-1: erster Lichtpuls
204e-2: zweiter Lichtpuls
204e-3: dritter Lichtpuls
204e-4: vierter Lichtpuls
204e-5: fünfter Lichtpuls
204e-6: sechster Lichtpuls
204e-7: siebter Lichtpuls
204e-8: achter Lichtpuls
204f: Lichtpulse
204f-1: erster Lichtpuls
204f-2: zweiter Lichtpuls
204f-3: dritter Lichtpuls
204f-4: vierter Lichtpuls
204f-5: fünfter Lichtpuls
204g: Lichtpulse
204g-1: erster Lichtpuls
204g-2: zweiter Lichtpuls
204g-3: dritter Lichtpuls
204g-4: vierter Lichtpuls
204g-5: fünfter Lichtpuls
300a: Diagramm
300b: Diagramm
300c: Diagramm
302a: angepasstes Lichtsignal
304b: empfangenes Lichtsignal
304c: empfangenes Lichtsignal
306a: Lichtpulse
306a-1: erster Lichtpuls
306a-2: zweiter Lichtpuls
306a-3: dritter Lichtpuls
306a-4: vierter Lichtpuls
306a-5: fünfter Lichtpuls
306b-1: erster Lichtpuls
306b-2: zweiter Lichtpuls
306b-3: dritter Lichtpuls
306b-4: vierter Lichtpuls
306b-5: fünfter Lichtpuls
306c-1: erster Lichtpuls
306c-2: zweiter Lichtpuls
306c-3: dritter Lichtpuls
306c-4: vierter Lichtpuls
306c-5: fünfter Lichtpuls
306c-6: sechster Lichtpuls
306c-7: siebter Lichtpuls
306c-8: achter Lichtpuls
306c-9: neunter Lichtpuls
308b: Signal-Rausch-Verhältnis
308c: Signal-Rausch-Verhältnis
310b: Grundrauschen
310c: Grundrauschen
400: Lichtdetektionssystem
402: Detektor
404: Lichtsignal
406: Verarbeitungsschaltung
500: Detektor
502: Photodiode
504: Verstärkerschaltung
506: Ausgang
600: Verarbeitungsschaltung
602: Eingang
604: Schwellenwertermittlungsschaltung
606: Peakdetektion-Schaltung
608: SNR-Schätzschaltung
610: Triggerschaltung
700: Schwellenwertermittlungsschaltung
702: Grundrauschen-Mess-Schaltung
704: Offset-Berechnungsschaltung
710: RMS-zu-DC-Wandlerschaltung
712: Eingang
714: Vergleicher
716: zweiter Eingang
718: Widerstand
720: Absolutwertschaltung
722: Squarer-Divider
724: Mittelwertkondensator
726: Knoten
728: Vorspannungsabschnitt
730: erster Eingang
732: zweiter Eingang
734: Transistor
736: Widerstand
738: Kondensator
800: Peakidentifizierung-Schaltung
802: erster Eingang
804: zweiter Eingang
806: Multi-Peak-Trigger-Schaltung
808: Triggerereignis-Register
810: Peakdetektion-Schaltung
820: Register
822-1: erstes Flip-Flop
822-2: zweites Flip-Flop
822-3: drittes Flip-Flop
824-1: erster Ausgang
824-2: zweiter Ausgang
824-3: dritter Ausgang
826: Signaleingang
828: Taktsignaleingang
830: Verzögerungsleitung
832-1: erster Kondensator
832-2: zweiter Kondensator
832-3: dritter Kondensator
832-4: vierter Kondensator
832-5: fünfter Kondensator
832-6: sechster Kondensator
832-N: N-ter Kondensator
834-1: erster Induktor
834-2: zweiter Induktor
834-3: dritter Induktor
834-N: N-ter Induktor
900a: Lichtdetektionssystem
900b: Lichtdetektionssystem
902: Detektor
904: Photodiode
906: Transimpedanzverstärker
908a: Verarbeitungsschaltung
908b: Verarbeitungsschaltung
910: Schwellenwertermittlungsschaltung
912: Grundrauschen-Mess-Schaltung
914: Trigger-Offset-Berechnungsschaltung
916: Peakidentifizierung-Schaltung
918: Multi-Peak-Trigger-Schaltung
920: Triggerereignis-Register
922: Peakdetektion-Schaltung
924: SNR-Schätzschaltung
926: Rücksetz-Signal
928: ToF-Trigger
1000: LIDAR-System
1002: Lichtemissionssystem
1004: Lichtdetektionssystem
1006: Sichtfeld

Claims

Lichtdetektionssystem (400, 900a, 900b, 1004) aufweisend: einen Detektor (402, 500, 902) eingerichtet, ein empfangenes Lichtsignal bereitzustellen; und eine Verarbeitungsschaltung (406, 600, 908a, 908b) eingerichtet: eine Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu identifizieren, und ein dem empfangenen Lichtsignal zugehöriges Signal-Rausch-Verhältnis basierend auf der Anzahl von identifizierten Peaks zu schätzen.
Lichtdetektionssystem (400, 900a, 900b, 1004) gemäß Anspruch 1, wobei die Verarbeitungsschaltung (406, 600, 908a, 908b) eingerichtet ist, das dem empfangenen Lichtsignal zugehörige Signal-Rausch-Verhältnis zu schätzen, unter Verwendung einer voreingestellten Differenz zwischen den jeweiligen Signalpegeln, welche verschiedenen Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zugehörig sind.
Lichtdetektionssystem (400, 900a, 900b, 1004) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das empfangene Lichtsignal mindestens einen ersten Peak mit einer ersten Peak-Leistung und einen zweiten Peak mit einer zweiten Peak-Leistung, welche sich von der ersten Peak-Leistung unterscheidet, aufweist; und wobei die Verarbeitungsschaltung (406, 600, 908a, 908b) eingerichtet ist, das dem empfangenen Lichtsignal zugehörige Signal-Rausch-Verhältnis zu schätzen, unter Verwendung einer voreingestellten Differenz zwischen der ersten Peak-Leistung und der zweiten Peak-Leistung.
Lichtdetektionssystem (400, 900a, 900b, 1004) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verarbeitungsschaltung (406, 600, 908a, 908b) eingerichtet ist, die Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu identifizieren, mittels Vergleichens des empfangenen Lichtsignals mit einem Schwellenwert.
Lichtdetektionssystem (400, 900a, 900b, 1004) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verarbeitungsschaltung (406, 600, 908a, 908b) eingerichtet ist, einen durchschnittlichen Signalpegel des dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Rauschens zu schätzen, und wobei die Verarbeitungsschaltung (406, 600, 908a, 908b) eingerichtet ist, einen Schwellenwert für das empfangene Lichtsignal zu ermitteln, unter Verwendung des geschätzten durchschnittlichen Signalpegels des Rauschens.
Lichtdetektionssystem (400, 900a, 900b, 1004) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verarbeitungsschaltung (406, 600, 908a, 908b) ferner eingerichtet ist, einen Signalpegel mindestens eines Peaks der identifizierten Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu schätzen.
Lichtdetektionssystem (400, 900a, 900b, 1004) gemäß Anspruch 6, wobei die Verarbeitungsschaltung (406, 600, 908a, 908b) eingerichtet ist, den Signalpegel des Peaks mit dem größten Signalpegel zu schätzen, unter Verwendung des geschätzten dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnisses und des geschätzten durchschnittlichen Signalpegels des dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Rauschens.
Lichtdetektionssystem (400, 900a, 900b, 1004) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Detektor (402, 500, 902) eine Photodiode (502, 904) aufweist, welche eingerichtet ist, ein analoges Signal als Reaktion auf das auf die Photodiode (502, 904) auftreffende empfangene Lichtsignal bereitzustellen.
System aufweisend: das Lichtdetektionssystem (400, 900a, 900b, 1004) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8; und ein Lichtsignal (404), welches an dem Lichtdetektionssystem (400, 900a, 900b, 1004) empfangen wird.
System gemäß Anspruch 9, wobei das Lichtsignal (404) eine Vielzahl von Lichtpulsen aufweist, und wobei jeder Lichtpuls der Vielzahl von Lichtpulsen einem jeweiligen Peak zugehörig ist.
System gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei das Lichtsignal (404) mindestens einen ersten Lichtpuls, welcher eine erste Amplitude und eine erste Peak-Leistung hat, und einen zweiten Lichtpuls, welcher eine zweite Amplitude und eine zweite Peak-Leistung hat, aufweist, und wobei die erste Amplitude größer ist als die zweite Amplitude und/oder wobei die erste Peak-Leistung größer ist als die zweite Peak-Leistung.
System gemäß Anspruch 11, wobei das Lichtsignal (404) einen dritten Peak aufweist, welcher eine dritte Amplitude und eine dritte Peak-Leistung hat, und wobei die zweite Amplitude größer ist als die dritte Amplitude und/oder wobei die zweite Peak-Leistung größer ist als die dritte Peak-Leistung.
System gemäß Anspruch 12, wobei eine Differenz zwischen der ersten Amplitude und der zweiten Amplitude gleich der Differenz zwischen der zweiten Amplitude und der dritten Amplitude ist, und/oder wobei eine Differenz zwischen der ersten Peak-Leistung und der zweiten Peak-Leistung gleich einer Differenz zwischen der zweiten Peak-Leistung und der dritten Peak-Leistung ist.
LIDAR-System (1000) aufweisend: ein Lichtemissionssystem (1002) eingerichtet, ein Lichtsignal aufweisend eine Vielzahl von Peaks zu emittieren; und ein Lichtdetektionssystem (400, 900a, 900b, 1004), aufweisend: einen Detektor (402, 500, 902) eingerichtet, das Lichtsignal zu empfangen, und eine Verarbeitungsschaltung (406, 600, 908a, 908b) eingerichtet, eine Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal zu identifizieren, und ein dem empfangenen Lichtsignal zugehöriges Signal-Rausch-Verhältnis basierend auf der Anzahl von identifizierten Peaks zu ermitteln.
Verfahren (100) des Detektierens von Licht, das Verfahren aufweisend: Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals (110); Identifizieren einer Anzahl von Peaks in dem empfangenen Lichtsignal (120); und Schätzen eines dem empfangenen Lichtsignal zugehörigen Signal-Rausch-Verhältnisses basierend auf der Anzahl von identifizierten Peaks (130).