DE102020134851A1

DE102020134851A1 - Lidar-system, fahrzeug und betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102020134851A1
Application number: DE102020134851.7A
Authority: DE
Inventors: Reiner Windisch
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2022-06-23
Also published as: CN116783505A; WO2022135956A1; US20240118427A1

Abstract

In einer Ausführungsform umfasst das Lidar-System (1):- einen ersten Laser (21) und einen zweiten Laser (22), und- eine Detektionseinheit (4) zum Detektieren von Laserstrahlung des ersten und des zweiten Lasers (21, 22), wobei- der erste Laser (21) in einem ersten Wellenlängenbereich (L1) und der zweiten Laser (22) in einem zweiten Wellenlängenbereich (L2) für ein periodisches Durchstimmen einer jeweiligen Emissionswellenlänge (E1, E2) eingerichtet sind, und- sich eine erste Durchstimmzeit T1 des ersten Lasers (21) von einer zweiten Durchstimmzeit T2 des zweiten Lasers (22) unterscheidet.

Description

Es wird ein Lidar-System angegeben. Darüber hinaus wird ein Fahrzeug mit einem solchen Lidar-System angegeben. Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Lidar-Systems angegeben.
Die Druckschrift WO 2020/081188 A1 betrifft ein Lidar-System.
In der Druckschrift WO 2019/205163 A1 findet sich ein Lidar-System mit mehreren Emittern und mit mehreren Empfängern.
Ein Lidar-System, bei dem ein Winkelbereich mit mindestens zwei Strahlbündeln gescannt wird, findet sich in der Druckschrift US 2018/0284236 A1 .
Aus der Druckschrift US 2019/0257927 A1 ist ein Lidar-System mit Wellenlängenmultiplexing bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, ein Lidar-System anzugeben, mit dem eine Scanzeit pro Pixel reduzierbar ist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Lidar-System, durch ein Fahrzeug und durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Lidar-System einen ersten Laser und einem zweiten Laser. Bei den Lasern handelt es sich bevorzugt um Festkörperlaser, insbesondere um Halbleiterlaser. Die Laser können durch separate, baulich voneinander unabhängige Laser oder auch durch ein Lasersystem mit mehreren monolithisch integrierten Laseremissionsbereichen auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat gebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der erste Laser in einem ersten Wellenlängenbereich und der zweiten Laser in einem zweiten Wellenlängenbereich für ein periodisches Durchstimmen einer jeweiligen Emissionswellenlänge eingerichtet. Zum Beispiel ist eine Durchstimmzeit, auch als Periodendauer oder Chirp bezeichnet, des jeweiligen Lasers gleichbleibend. Das heißt, die Durchstimmzeiten ändern sich bestimmungsgemäß im Zeitverlauf bevorzugt nicht. Die Wellenlängenbereiche überlappen bevorzugt nicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Lidar-System eine Detektionseinheit zum Detektieren von Laserstrahlung des ersten und des zweiten Lasers. In der Detektionseinheit wird zum Beispiel jeweils eine Schwebungsfrequenz von Laserstrahlung direkt von dem betreffenden Laser und von Laserstrahlung des selben Lasers, die von zumindest einem Objekt außerhalb des Lidar-Systems reflektiert wurde, ermittelt. Dies geschieht bevorzugt für jeden Laser unabhängig von dem zumindest einen weiteren Laser.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform unterscheidet sich eine erste Durchstimmzeit T1 des ersten Lasers von einer zweiten Durchstimmzeit T2 des zweiten Lasers. Mit anderen Worten haben die Laser verschiedene Periodendauern, insbesondere keine Periodendauern, die ein ganzzahliges Vielfaches voneinander sind.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Lidar-System einen ersten Laser und einen zweiten Laser sowie eine Detektionseinheit zum Detektieren von Laserstrahlung des ersten und des zweiten Lasers. Der erste Laser ist in einem ersten Wellenlängenbereich und der zweiten Laser ist in einem zweiten Wellenlängenbereich für ein periodisches Durchstimmen einer jeweiligen Emissionswellenlänge eingerichtet. Eine erste Durchstimmzeit T1 des ersten Lasers unterscheidet sich von einer zweiten Durchstimmzeit T2 des zweiten Lasers und/oder eine Wellenlängenänderung pro Zeit des ersten Lasers unterscheidet sich von einer Wellenlängenänderung pro Zeit des zweiten Lasers.
Dadurch, dass die Laser unterschiedliche Durchstimmzeiten haben, kann eine Scanzeit pro Pixel kleiner sein als eine Lichtlaufzeit zum zu detektierenden Objekt und wieder zurück zum Lidar-System, wobei Mehrdeutigkeiten in der Positionsbestimmung dennoch vermeidbar sind. Damit sind insgesamt kürzere Scanzeiten für ein Bild erreichbar und/oder es ist eine Anzahl der Pixel entsprechend erhöhbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt T1 > T2 und liegt der Quotient T1/T2 zwischen einschließlich zwischen einschließlich 1,02 bis 1,98 oder 1,05 bis 1,95 oder zwischen einschließlich 2,05 bis 2,95 oder zwischen einschließlich 3,05 bis 3,95. Bevorzugt gilt: 1,05 ≤ T1/T2 ≤ 1,7 oder 1,05 ≤ T1/T2 ≤ 1,6 oder 1,1 ≤ T1/T2 ≤ 1,5. Mit anderen Worten unterscheiden sich die Durchstimmzeiten T1 und T2 zwar merklich voneinander, andererseits aber wiederum nicht allzu stark.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist wenigstens eine der Durchstimmzeiten T1 und T2 um mindestens einen Faktor 2 oder um mindestens einen Faktor 3 oder um mindestens einen Faktor 5 kleiner als eine bestimmungsgemäße maximale Reichweite R des Lidar-Systems geteilt durch die Vakuumlichtgeschwindigkeit c. Mit anderen Worten gilt T1, T2 ≤ R/2c oder T1, T2 ≤ R/3c oder T1, T2 ≤ R/5c. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Faktor bei höchstens 30 oder bei höchstens 20 oder bei höchstens 10 oder bei höchstens 6.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt m T1 = n T2 ⇔ T1 = n/m T2 mit m, n E N und m < n sowie n/m E Q \ N. Mit anderen Worten sind m und n ganze Zahlen und der Bruch m durch n ist nicht ganzzahlig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für alle i = 1, ..., n und für alle j = 1, ..., $m; \frac{i m}{j n} \leq 0,990 Λ 1,010 \leq \frac{i m}{j n}$
oder $\frac{i m}{j n} \leq 0,95 Λ 1,05 \leq \frac{i m}{j n} .$
oder $\frac{i m}{j n} \leq 0,95 Λ 1,05 \leq \frac{i m}{j n} .$
Bevorzugt gilt dies bis zur bestimmungsgemäßen maximale Reichweite R, die kleiner sein kann als m T1 c. Das heißt, es kann außerdem gelten m T1 > 2 R/c und (m - 1) T1 ≤ 2 R/c oder m T1 > R/c und (m - 1) T1 ≤ R/c, oder allgemein m T1 > F R/c und (m - 1) T1 ≤ F R/c mit 0,2 ≤ F ≤ 2 oder 0,2 ≤ F ≤ 1,5 oder 0,3 ≤ F ≤ 1,2 oder 0,4 ≤ F ≤ 0,9. Ein Wert von F < 2 bedeutet, dass T1 = k T2 mit k ∈ ℕ erst deutlich außerhalb der bestimmungsgemäßen maximalen Reichweite R auftritt. Das heißt, F kann als ein Sicherheitsfaktor betrachtet werden, sodass potentielle Mehrdeutigkeiten erst weit außerhalb der bestimmungsgemäßen maximalen Reichweite R auftreten.
Mit anderen Worten sind i und j ganzzahlige Zählindices, die von 1 bis n und von 1 bis m laufen. Für jeden Bruch aus einem i-fachen von m und aus einem j-fachen von n gilt, dass dieser Bruch nicht zu nahe an Eins liegt, und dies gilt innerhalb der bestimmungsgemäßen maximalen Reichweite R des Lidar-Systems. Das Lidar-System arbeitet üblicherweise in Luft. Da die Lichtgeschwindigkeit in Luft nur wenig von der Vakuumlichtgeschwindigkeit abweicht, wird vorliegend zur Laufzeitberechnung aus einer Strecke vereinfachend die Vakuumlichtgeschwindigkeit c herangezogen.
Beispielsweise ist m = 7 und n = 9. Somit gilt dann T1 = 9/7 T2. Bis hin zu einer Strecke von 7c T1 > R ergibt sich dann kein ganzzahliger Bruch aus m und n. Die Durchstimmzeitabschnitte des zweiten Lasers enden dann bei 7/9 T1, bei 14/9 T1, bei 21/9 T1, bei 28/9 T1 und so weiter. Die Durchstimmzeitabschnitte des ersten Lasers enden dann bei 9/7 T2, 18/7 T2, 27/7 T2 und so weiter. Kritisch bezüglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit potentieller Mehrdeutigkeiten sind Zeiten, bei denen sich das Verhältnis aus den Endzeitpunkten von Durchstimmperioden innerhalb der maximalen Reichweite relativ nahe kommen und zum Beispiel bei 4m/3n = 28/27 oder bei 5m/4n = 35/36 liegen. Bis hin zu mindestens 3 Durchstimmperioden T1 kommen sich die Endzeitpunkte der Durchstimmperioden bis auf höchstens ungefähr einen Faktor 28/27 = 1,037 nahe, sodass Mehrdeutigkeiten zuverlässig ausschließbar sind.
Andere beispielhafte Zahlenpaare für m und n sind zum Beispiel 7 und 11 oder 5 und 8.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die bestimmungsgemäße maximale Reichweite R bei mindestens 0,1 km und bei höchstens 0,5 km oder bei mindestens 2 km und bei höchstens 10 km. Der erste Werteberich gilt zum Beispiel für Lkw oder Kfz und der zweite Wertebereich zum Beispiel für Luftfahrzeuge oder Schiffe oder Eisenbahnen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Lidar-System dazu eingerichtet, die Emissionswellenlängen des ersten Lasers und des zweiten Lasers in Form einer Dreieckvariation oder in Form einer Sägezahnvariation durchzustimmen. Bei Sägezahnvariation können am Ende der Durchstimmperioden Unstetigkeiten und/oder undifferenzierbare Stellen im zeitlichen Verlauf der Emissionswellenlängen auftreten. Bei einer Dreieckvariation lasse sich zumindest Unstetigkeiten vermeiden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen der erste Laser und der zweite Laser unterschiedliche Durchstimmsteigungen auf. Die Durchstimmsteigungen sind dabei als Wellenlängenunterschied pro Zeiteinheit definiert, innerhalb der jeweiligen Durchstimmperioden. Alternativ können die Laser auch gleiche Durchstimmsteigungen aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Lidar-System außerdem einen dritten Laser und einen vierten Laser, wobei der dritte Laser in einem dritten Wellenlängenbereich und der vierte Laser in einem vierten Wellenlängenbereich für ein periodisches Durchstimmen einer jeweiligen Emissionswellenlänge eingerichtet sind. Dabei unterscheiden sich der erste, der zweite, der dritte und der vierte Wellenlängenbereich paarweise voneinander und überlappen einander nicht.
Demgemäß ist die Detektionseinheit auch zum Detektieren von Laserstrahlung des dritten und des vierten Lasers eingerichtet, in gleicher Weise wie für den ersten und den zweiten Laser.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bilden der dritte Laser und der erste Laser ein erstes Laserpaar und der vierte Laser und der zweite Laser ein zweites Laserpaar. Innerhalb der Laserpaare sind die zugehörigen Durchstimmzeiten bevorzugt gleich, sodass die Laser innerhalb jedes Laserpaares dann dazu eingerichtet sind, zeitlich synchron durchgestimmt zu werden. Mit solchen Laserpaaren lässt sich eine Entfernungsmessung und eine Geschwindigkeitsmessung von Objekten erreichen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind innerhalb eines Laserpaares die Durchstimmsteigungen unterschiedlich. Mit andern Worten werden die Laser des betreffenden Paares so angesteuert, dass unterschiedliche Wellenlängenänderung pro Zeiteinheit in dem betreffenden Chip, also der betreffenden Wellenlängenänderungsrampe, vorliegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Detektionseinheit dazu eingerichtet, die Wellenlängenbereiche einzeln und unabhängig voneinander zu detektieren. Dazu kann die Detektionseinheit mehrere Detektoren wie Fotodioden umfassen und/oder die Detektionseinheit ist ein pixelierter Detektor, wobei einzelne Pixel und/oder Fotodioden bevorzugt spektral selektiv die Laserstrahlung einzelner Laser detektieren können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Laser dazu eingerichtet, zu einem bestimmten Zeitpunkt alle in eine bestimmte, gemeinsame Emissionsrichtung zu emittieren. Die Detektionseinheit ist dazu eingerichtet, die Emissionswellenlängen aus einem räumlichen Bereich zu detektieren, der die Emissionsrichtung umfasst und größer ist als ein Winkelbereich, der der Emissionsrichtung entspricht. Das heißt, der räumliche Detektionsbereich kann den räumlichen Emissionsbereich umhüllen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Laser dazu eingerichtet, Pixel abzurastern, zum Beispiel in einem horizontalen und vertikalen Raster. Die Detektionseinheit ist dazu eingerichtet, die Emissionswellenlängen aus einem aktuell von den Lasern belichteten Pixel und bevorzugt außerdem aus mindestens fünf oder mindestens zehn und/oder aus höchstens 50 oder aus höchstens 20 zeitlich unmittelbar vorangehenden Pixeln zu detektieren. Das heißt, der Detektionsbereich ist nicht auf den aktuellen Emissionsbereich eingegrenzt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Lidar-System für 0,1 µs ≤ T1 ≤ 2 µs oder für 0,2 µs ≤ T1 ≤ 2 µs oder für 0,2 µs ≤ T1 ≤ 1,1 µs eingerichtet. Die Durchstimmzeit T1 und damit auch die kleinere Durchstimmzeit T2 können somit verhältnismäßig kurz sein. Dies gilt insbesondere für Anwendungen im Automobilbereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Laser durch Halbleiterlaser gebildet. Die Halbleiterlaser basieren zum Beispiel auf dem Materialsystem AlInGaAs oder auch auf dem Materialsystem AlInGaP.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Laser dazu eingerichtet, dass die Wellenlängenbereiche im nahinfraroten Spektralbereich liegen. Nahinfrarot bezieht sich insbesondere auf Wellenlängen ≥ 800 nm oder ≥ 900 nm oder ≥ 1000 nm und/oder auf Wellenlängen ≤ 1,6 µm oder ≤ 1,3 µm oder ≤ 1,1 µm.
Darüber hinaus wird ein Fahrzeug angegeben, das mindestens ein Lidar-System, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben, umfasst. Merkmale des Fahrzeugs sind daher auch für das Lidar-System offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Fahrzeug eines oder mehrere Lidar-Systeme. Das mindestens eine Lidar-System ist dazu eingerichtet, eine Umgebung des Fahrzeugs zu scannen. Das Fahrzeug ist zum Beispiel ein Kfz, ein Lkw, ein Motorrad, ein Schiff, ein Zug oder ein Flugzeug oder auch ein Satellit.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betreiben eines Lidar-Systems, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben, angegeben. Merkmale des Lidar-Systems und des Fahrzeugs sind daher auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform ist Verfahren zum Betreiben eines Lidar-Systems eingerichtet und umfasst:

- Abrastern von Pixeln eines Raumwinkelbereichs mit den Lasern, und
- Detektieren von Laserstrahlung der Laser kommend aus Pixelbereichen,

Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Lidar-System, ein hier beschriebenes Fahrzeug und ein hier beschriebenes Verfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1 und 2 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Lidar-Systemen,
3 schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs mit hier beschriebenen Lidar-Systemen,
4 und 5 schematische Darstellungen von modifizierten Betriebsverfahren,
6 bis 9 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von Verfahren zum Betreiben hier beschriebener Lidar-Systeme,
10 eine schematische Darstellung einer Scancharakteristik von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Lidar-Systemen, und
11 bis 17 schematische Darstellungen von Verfahrensschritten eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben hier beschriebener Lidar-Systeme.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Lidar-Systems 1 gezeigt. Das Lidar-System 1 umfasst ein Lasersystem 2 mit mindestens zwei Lasern 21, 22. Das Lasersystem 2 emittiert eine Laserstrahlung S1, die aus Strahlung der beiden Laser 21, 22 zusammengesetzt ist. Die Laser 21, 22 sind bevorzugt Halbleiterlaser. Innerhalb von separaten Wellenlängenbereichen L1, L2 werden Emissionswellenlängen E1, E2 der Laser 21, 22 periodisch durchgestimmt. Die Laser 21, 22 weisen eine große Kohärenzlänge auf.
Die Laserstrahlung S1 gelangt zu einem Strahlteiler 51, der einen Strahlanteil S2 zu einer Detektionseinheit 4 lenkt, die mehrere Detektionsbereiche 41, 42 für die Wellenlängenbereiche L1, L2 der Laser 21, 22 aufweist. Die Detektionsbereiche 41, 42 sind bevorzugt für eine spektral selektive Detektion der Wellenlängenbereiche L1, L2 eingerichtet.
Ferner gelangt ein verbleibender, überwiegender Teil der Laserstrahlung S1 durch den Strahlteiler 51 über eine Emissionsoptik 52 und über einen optionalen Scanner 53 an ein Objekt 8 außerhalb des Lidar-Systems 1. Zum Beispiel beträgt ein Abstand d des Objekts 8 zum Lidar-System 1 mehrere 10 m oder mehrere 100 m. Ein an dem Objekt 8 hin zu einer Empfangsoptik 54 reflektierter Strahlungsanteil S3 gelangt zurück zu der Detektionseinheit 4 und überlagert sich mit dem Strahlungsanteil S2. Da die Laserstrahlung S1 periodisch durchgestimmt wird, ist an der Detektionseinheit 4 insbesondere eine Schwebungsfrequenz messbar, aus der die Entfernung des Objekts 8 und/oder dessen Relativgeschwindigkeit zum Lidar-System 1 ermittelt wird.
Das Lasersystem 2 und die Detektionseinheit 4 befinden sich bevorzugt in einem gemeinsamen Gehäuse 55.
In 2 ist gezeigt, dass das Lasersystem 2 vier Laser 21, 22, 33, 34 umfasst, die in zwei Paaren 21, 33 und 22, 34 arrangiert sein können. Ferner ist in 2 gezeigt, dass die Detektionseinheit 4 vier Detektionsbereiche 41, 42, 43, 44 für paarweise voneinander verschiedene Wellenlängenbereiche L1, L2, L3, L4 der Laser 21, 22, 33, 34 aufweist. Die Laser 21, 22, 33, 34 können monomodig emittieren.
Ferner ist es, abweichend von den 1 und 2, ebenso möglich, dass das reflektierte Licht S3 über den gleichen Spiegel mit der gleichen Optik gesammelt wird. In diesem Fall wird das einfallende Licht S3 vom emittierten Licht S1 zum Beispiel über einen optischen Zirkulator getrennt.
Der bewegliche Scanner 53 kann als mechanischer Spiegel, beispielsweise als rotierender Spiegel, oder als mikromechanischer Spiegel, kurz MEMS-Spiegel, ausgeführt sein. Ein solcher MEMS-Spiegel kann dabei in Resonanz oder nichtresonant betrieben werden. In Resonanz lassen sich größere Auslenkungen erzielen, die Bewegungsgeschwindigkeit ist jedoch nicht steuerbar. Nichtresonant ist die Bewegung des Spiegels dagegen nahezu beliebig steuerbar.
Die Ausbreitung des Lichts S1, S2, S3 innerhalb des Lidar-Systems 1 kann in Freistrahloptik erfolgen. Bevorzugt wird jedoch eine Faseroptik verwendet, das heißt, vom Lasersystem 2 bis zur Emissionsoptik 53 sowie von der Empfangsoptik 54 bis zur Detektionseinheit 4 wird das Licht S1, S2, S3 in bevorzugt monomodigen Fasern geführt. Ein zusätzlicher abgezweigter Lichtstrahl wird oft über eine längere Faser geführt und mit dem Referenzlicht gemischt und auf einem weiteren Detektor detektiert. Der dadurch erzeugte feste Laufwegunterschied kann genutzt werden, um eine Modulation der Laser 21, 22, 33, 34 zu messen und/oder in einem Regelkreis mit einer Treiberelektronik einzustellen.
Die 1 und 2 zeigen die Lidar-Systeme 1 lediglich schematisch. Details zu Aufbauvarianten und verwendbaren Komponenten finden sich zum Beispiel in den Druckschriften WO 2020/081188 A1 , WO 2019/205163 A1 , US 2018/0284236 A1 oder US 2019/0257927 A1 , deren Offenbarungsgehalt hinsichtlich der verwendbaren Aufbauvarianten und Komponenten durch Rückbezug mit aufgenommen wird.
In 3 ist ein Fahrzeug 10, zum Beispiel ein Auto, dargestellt. Das Fahrzeug 10 umfasst mehrere der Lidar-Systeme 1, die eine Umgebung des Fahrzeugs 10 scannen. Durch das unten beschriebene Verfahren lassen sich dabei hohe Abstimmraten und somit hohe Ortsauflösungen erreichen.
Die hier beschriebenen Lidar-Systems 1 sind somit insbesondere je ein frequenzmoduliertes Dauerstrich-Lidar, auch als FMCW-Lidar bezeichnet, das einen beschleunigten Scanvorgang mit mehreren Wellenlängen ermöglicht. FMCW-Lidar steht für Frequency Modulated Coninuous Wave Light detection and ranging. Das Lidar-System 1 ist insbesondere im Automobilbereich, in der Luftfahrt und in der Raumfahrt, im Verteidigungsbereich sowie in der allgemeinen Messtechnik einsetzbar, um Entfernungsmessungen und Geschwindigkeitsmessungen durchzuführen. Damit kann ein scannendes FMCW-Lidar-System realisiert sein, mit dem einzelnen Bildpunkte, auch als Pixel bezeichnet, in einer kürzeren Zeit als der Lichtlaufzeit zum Objekt 8 und zurück aufgenommen werden können.
Bei einem hier beschriebenen FMCW-Lidar-System strahlt ein Laser 21, 22 einen kontinuierlichen Laserstrahl aus, dessen Lichtfrequenz periodisch moduliert wird, wobei die Frequenz über einen bestimmten Zeitraum Tc bevorzugt linear ansteigt oder abfällt. Ein solcher Anstieg oder Abfall wird auch als Chirp bezeichnet; die Begriffe Durchstimmzeit und Chirpdauer oder Chirp sind vorliegend insofern gleichbedeutend. Die emittierte Laserstrahlung S1 wird also über die Optik 52 abgestrahlt, an einem Objekt 8, dessen Entfernung und/oder Geschwindigkeit bestimmt werden soll, reflektiert und ein Teil S3 der Laserstrahlung wird über die Empfängeroptik 54 wieder eingesammelt. Diese eingesammelte Laserstrahlung S3 wird mit dem von der abgestrahlten Laserstrahlung S1 abgezweigten Referenzlicht S2, auch als lokaler Oszillator bezeichnet, gemischt und das Mischlicht wird auf einem schnellen Fotodetektor, also der Detektionseinheit 4, detektiert.
Aufgrund des unterschiedlichen Laufweges von Referenzlicht S2 und am Objekt 8 reflektiertem Licht S1, S3 sowie aufgrund der zeitlich bevorzugt linear veränderlichen Frequenz, entsprechend der Wellenlängen, weisen das Referenzlicht S2 und das reflektierte Licht S3 unterschiedliche Frequenzen und somit unterschiedliche Wellenlängen auf, siehe auch 4. Dies führt zu einer Schwebung, das heißt, zu einer periodischen Veränderung der Intensität des detektierten Mischlichts S2, S3. Die Schwebungsfrequenz entspricht dabei der Differenzfrequenz Df, und diese ist proportional zu einem Laufwegunterschied Dt der Laserstrahlen S2, S3 und damit zur Entfernung zum Objekt 8. Die Schwebungsfrequenz wird gemessen, indem das Signal der Detektionseinheit 4 aufgezeichnet wird und damit eine Fourier-Transformation berechnet wird. Damit werden automatisch Einflüsse von Hintergrundlicht und anderen Störquellen herausgefiltert, da diese nicht kohärent zur Laserstrahlung S2, S3 sind und damit nicht zur Schwebung beitragen.
Bewegt sich das zu messende Objekt 8 relativ zum Messgerät 1, so führt der Dopplereffekt zu einer Veränderung der gemessenen Differenzfrequenz Df und damit bei einer Einzelmessung zu einer Verfälschung des Ergebnisses für die Entfernung. Eine Korrektur und damit eine gleichzeitige Messung der Relativgeschwindigkeit ist möglich, indem ein zweiter Chirp mit entgegengesetzter Steigung ausgesendet wird, siehe auch 5. Hier wirkt sich die Relativgeschwindigkeit entgegengesetzt aus, so dass diese aus der Differenz Df1 - Df2 der beiden Differenzfrequenzen berechnet werden kann. Die Entfernung ergibt sich aus deren Mittelwert (Df1 + Df2)/2.
Dieses Messprinzip erzwingt es normalerweise, eine Chirpdauer, also eine Durchstimmzeit, zu wählen, die länger ist als die Laufzeit Dt des Lichts S1, S3 zum Objekt 8 und zurück. Nur so kann die Interferenz des zurückkommenden Lichts S3 mit dem Referenzlicht S2 innerhalb des gleichen Chirps, also innerhalb der gleichen Durchstimmperiode, zuverlässig gemessen werden. Da für die Geschwindigkeitsmessung ein zweiter Chirp mit gegenläufiger Steigung erforderlich ist, verdoppelt dies die erforderliche Messdauer, siehe 5, den Frequenzbereich mit negativer Steigung.
Für den Fall, dass zwei Objekte gleichzeitig beleuchtet werden und damit in jeder Messung zwei Differenzfrequenzen gemessen werden, was mittels Fourier-Analyse gut auswertbar ist, wird noch ein dritter Chirp mit geänderter Steigung benötigt, um ein eindeutiges Ergebnis zu erzielen, nicht gezeichnet. Der Grund hierfür ist, dass es im Allgemeinen nicht möglich ist, bei jeweils zwei gemessenen Differenzfrequenzen Df1, Df2 die korrekte Zuordnung der Frequenzen zu den Objekten zu bestimmen. Werden beispielsweise in beiden Chirps, mit entgegengesetzten Steigungen, jeweils zwei identische Differenzfrequenzen gemessen, so kann dies auf zwei statische Objekte hindeuten. Das gleiche Signal erhält man jedoch, wenn sich beide Objekte in der gleichen Entfernung befinden, aber entgegengesetzte Relativgeschwindigkeiten aufweisen, sich also das eine Objekt vom Messgerät weg, das andere zum Messgerät hin bewegt. Ein dritter Chirp mit anderer Steigung, wobei auch eine konstant bleibende Frequenz diesen Zweck erfüllt, liefert dann Daten, die nur zu einer der beiden Interpretationsmöglichkeiten passen und löst das Problem der fehlenden Eindeutigkeit dadurch auf.
Damit ist bei diesem Konzept eine Messdauer und Durchstimmzeit erforderlich, die größer ist als die dreifache Lichtlaufzeit zum Objekt 8 und zurück, zumal bei veränderlicher Steigung der Frequenzänderung im Chirp nur die Zeit nach dem Wiedereintreffen des gleichen Chirps vom Objekt für die Aufnahme der Zeitabhängigkeit des Schwebungssignals genutzt werden kann, da zuvor die Differenzfrequenz nicht konstant ist und sich daraus keine verwertbare Fourier-Transformation ergibt. Die Zeitdauer der Signalaufnahme entspricht der Integrationszeit der Entfernungsmessung. Um die Differenzfrequenz(en) mit ausreichender Genauigkeit per Fourier-Analyse ermitteln zu können, ist eine ausreichende Integrationszeit erforderlich.
So sind in einem ersten Zeitbereich A und in einem dritten Zeitbereich C gemäß 4 Messungen der Entfernung möglich, und in einem dazwischenliegenden zweiten Zeitbereiche B zumindest dann, wenn etwa von einem Treiber oder einer Steuereinheit Informationen über die Chirpphase verfügbar sind, siehe 4. Demgegenüber ist eine Geschwindigkeitsmessung gemäß 5 nur in den Bereichen A und C möglich, nicht aber im Bereich B.
Somit ist in 4 der einfachste Betriebsmodus für statische Situationen gezeigt: Die Frequenz f eines Lasers steigt linear an, wird bei Erreichen des Maximalwertes am Ende des ersten Zeitbereichs A in sehr kurzer Zeit auf den Minimalwert abgesenkt und steigt dann wieder linear an. Ebenso könnte die Frequenz f auch linear fallen, dies ändert nichts an der grundsätzlichen Funktionsweise. Eine Periode dieses Frequenzverlaufs kann als Chirp oder Durchstimmzeit bezeichnet werden. Das vom Objekt 8 reflektierte Licht S3 zeigt den gleichen Frequenzverlauf, nur zeitlich um die Laufzeit des Lichts zum Objekt 8 und zurück verschoben. Dadurch ergibt sich ab dem Zurückkommen des Lichts vom Objekt 8 ein konstanter Frequenzunterschied Df zum ausgesendeten Licht bis zu dessen Erreichen der Maximalfrequenz, siehe den dritten Zeitbereich C in 4.
Für dieses Verfahren muss ein ausreichender zeitlicher Überlapp des fortgesetzten linearen Anstieg des emittierten Lichts S1 mit dem zurückkommenden Anstieg bestehen, um die Schwebungsfrequenz aus den Messdaten in der erforderlichen Genauigkeit bestimmen zu können. Dafür muss die Dauer des Chirps, also die Durchstimmzeit, wie oben erläutert, größer sein als die Laufzeit des Lichts zum Objekt 8 und zurück. Ist dies nicht gegeben, könnte grundsätzlich, eine strenge Periodizität der aufeinanderfolgenden Chirps vorausgesetzt, die Differenzfrequenz zwischen dem vorherigen, zurückkommenden Chirp und dem beginnenden Anstieg des nächsten Chirps im zweiten Zeitbereich B bestimmt werden. Diese Frequenz ist die Differenz zwischen dem Frequenzhub des Chirps und der gesuchten Differenzfrequenz. Da der Zeitpunkt des Chirp-Beginns, also in 4 die kleinste Frequenz, beim ausgesendeten Strahl S1 im System bekannt ist und als Trigger einer solchen Messung genutzt werden kann, ist eine Unterscheidung, welche der beiden Differenzfrequenzen gemessen wird, grundsätzlich möglich. Damit ist grundsätzlich die gesamte Zeitdauer von streng periodischen Chirps für die Messung der Differenzfrequenz und damit der Entfernung nutzbar und somit auch der zweite Zeitbereich B, auch wenn in der Regel nur der Überlapp innerhalb des gleichen Chirps genutzt wird.
Kann eine Relativbewegung des Objekts 8 zum Messgerät nicht ausgeschlossen werden, so reicht diese Messung gemäß 4 jedoch nicht aus, da durch den Dopplereffekt eine Frequenzverschiebung des reflektierten Lichts erfolgt, die einen unbekannten Beitrag zur gemessenen Differenzfrequenz liefert. In diesem Fall wird die Messung gemäß 5 durchgeführt. Hier werden zwei Chirps mit entgegengesetzter linearer Steigung verwendet. Aus den beiden ermittelten Differenzfrequenzen Df1 und Df2 lassen sich wie oben erläutert die Geschwindigkeit aus Df1 - Df2 und die Entfernung aus (Df1 + Df2)/2 berechnen.
In diesem Modus gemäß 5 ist die Messung nur in den Zeitbereichen A und C möglich, in denen der ausgesendete Chirp mit dem gleichen zurückkommenden Chirp überlappt. Während des zeitlichen Überlapps mit dem vorangegangenen Chirp im zweiten Zeitbereich B ändert sich wegen der unterschiedlichen Steigung die Differenzfrequenz mit der Zeit, wodurch nach der notwendigen Integration über eine für die Fourier-Analyse ausreichende Zeit keine eindeutige Differenzfrequenz mehr gemessen werden kann.
Soll nun bei den Verfahren der 4 und 5 der ausgesendete Laserstrahl über eine Optik 53 bewegt und gescannt werden, um mittels mehrerer aufeinanderfolgender Entfernungsmessungen ein dreidimensionales Bild zu erhalten, so muss die Geschwindigkeit des Scanvorgangs niedrig genug gewählt werden, so dass für die Messung jedes einzelnen Bildpunktes genügend Zeit verbleibt. Dies begrenzt die erzielbare räumliche Auflösung und/oder die Häufigkeit, in der die Aufnahme des Bildes wiederholt werden kann, also die Bildrate, auch als Frame Rate bezeichnet.
Ein Beispiel: Soll das Lidar-System eine Reichweite von 200 m abdecken, so beträgt die Zeit für den zweifachen Laufweg, also hin zum Objekt 8 und zurück zum Lidar-System 1, ungefähr 1,33 µs. Mit 0,66 µs Integrationszeit ergibt sich eine erforderliche Chirpdauer Tc von 2 µs und daraus eine minimale Messdauer von 6 µs pro Bildpunkt. Soll alle 30 ms ein neues Bild aufgenommen werden, so kann das System maximal 5000 Bildpunkte erzeugen, wobei ein eventueller Zeitverlust durch die Bewegung des Spiegels noch nicht berücksichtigt ist.
Die typischen Anforderungen an 3D-Kameras für Automobilanwendungen liegen bei wesentlich höheren Bildauflösungen bis in den Megapixelbereich, die mit einem solchen System mit nur einer Wellenlänge damit aus fundamentalen Gründen nicht erreichbar sind.
Alternative Möglichkeiten zur Erzielung einer höheren Auflösung liegen in der Kombination mehrerer FMCW-Lidar-Systeme und in der Zusammensetzung der davon erzeugten Bilder mit niedriger Auflösung zu einem hoch aufgelösten Gesamtbild. Dies ist jedoch mit hohen Kosten verbunden, da mehrere Lidar-System nötig sind.
Bei dem hier beschriebenen Lidar-System 1 wird dagegen eine höhere räumliche Auflösung durch eine parallele Messung mit mehreren Wellenlängen am gleichen Bildpunkt und bevorzugt mit einer für jede Wellenlänge verschiedenen Steigung der Frequenzänderung ermöglicht, sodass eine Messdauer pro Bildpunkt reduziert ist. Ein Wellenlängenunterschied zwischen den Wellenlängenbereichen der Laser ist dabei bevorzugt größer als die Wellenlängenvariation während eines Chirps, also innerhalb einer Durchstimmperiode.
Das hier beschriebene Lidar-System 1 beinhaltet somit insbesondere die beiden folgenden miteinander kombinierbaren Aspekte:

1. Eine gleichzeitige Messung mit entgegengesetzter, aber betragsgleicher, Steigung von zwei Frequenzchirps: Damit erfolgen die beiden für die Entfernungsmessung und für die Geschwindigkeitsmessung erforderlichen Chirps parallel, wodurch die Messzeit direkt halbiert wird. Des Weiteren ermöglicht dies, dass die Steigung jedes Chirps der gleichen Wellenlänge immer gleich bleiben kann. Das heißt, jeder Chirp kann sägezahnartig verlaufen. Damit ist es prinzipiell möglich, bei einer strengen Periodizität der vom Laser erzeugten Chirps die gesamte Zeitspanne des Chirps für die Messung zu nutzen, wodurch die Integrationszeit effektiv nahezu identisch mit der Chirpdauer werden kann. Grundsätzlich kann zur Unterscheidung mehrerer Objekte ein dritter Chirp eines weiteren Lasers mit einer anderen Steigung mit einer dritten Wellenlänge parallel durchgeführt werden.
2. Die Verwendung von periodischen, sägezahnförmigen Chirps mit unterschiedlicher Periodizität sowie mit einer Durchstimmzeit, die kürzer ist als die Zeit, die der emittierte Laserstrahl benötigt, um vom zu messenden Objekt 8 zur Detektionseinheit 4 zurückzukehren: Würde hier nur ein einzelner Chirp verwendet, ergäbe sich eine Uneindeutigkeit in der gemessenen Entfernung, da sich für mehrere Entfernungen der gleiche Frequenzunterschied zum lokalen Referenzlicht S2 ergäbe. Die Verwendung von zwei unterschiedlichen Perioden der Chirps, also Durchstimmzeiten, parallel ermöglicht die Auflösung und Beseitigung von Uneindeutigkeiten.

Dadurch wird eine Messung mittels Chirps möglich, die eine kleinere Dauer aufweisen als die Lichtlaufzeit zum Objekt 8 und zurück zur Detektionseinheit 4. Eine weitere Option ist die dadurch ermöglichte größere Steigung der Chirps, also der zeitlichen Wellenlängenänderung, was einen absoluten Entfernungsmessfehler reduzieren kann.
Zur Bestimmung der Differenzfrequenz oder der Differenzfrequenzen in jedem einzelnen Signal ist es mit dem hier beschriebenen Verfahren möglich, nahezu die gesamte Dauer des Chirps zu nutzen, um eine ausreichende Integrationszeit zu erhalten. Hierzu verlaufen bevorzugt alle Chirps sägezahnförmig mit gleicher Orientierung der Steigungen. Zu Beginn des jeweils emittierten Chirps, wobei eine Phasenlage des empfangenen Chirps entfernungsabhängig und damit unbekannt ist, ergibt sich somit eine gemessene Differenzfrequenz, die gerade der Differenz zwischen einem Modulationshub und der gesuchten Differenzfrequenz entspricht. Nach Eintreffen des Sprungs im Sägezahn wird die gesuchte Differenzfrequenz direkt gemessen. Mit dieser Kenntnis lässt sich durch geeignete Algorithmen, zum Beispiel abschnittsweise Fourier-Transformation, Variation des Berechnungsintervalls bei der Fourier-Transformation oder dergleichen, nahezu die gesamte Chirpdauer als Integrationszeit nutzen.
In Kombination ergibt sich also eine Messung mit vier Wellenlängen, je zwei mit unterschiedlicher Periodizität, von denen jeweils die eine das entgegengesetzte Vorzeichen der Steigung der anderen aufweist, siehe auch 9. Wird der Betrag der Steigungen zusammen mit der Periodizität angepasst, was automatisch geschehen kann, wenn der gesamte Frequenzhub konstant gehalten wird, so wird durch die unterschiedlichen Steigungen auch die Auflösung der Uneindeutigkeit bei mehreren Objekten ermöglicht, so dass hierfür kein zusätzlicher Chirp oder Laser erforderlich ist. Mit dieser Methode ist die Messung von Entfernung und Geschwindigkeit von mehreren Objekten am gleichen Bildpunkt in einer Zeit möglich, die signifikant kürzer sein kann als die Lichtlaufzeit zum Objekt 8 und zurück.
Hierfür wird jeder Bildpunkt nur mindestens für die Dauer des längeren Chirps beleuchtet. Danach wechselt die Beleuchtungseinheit, also das Lasersystem 2, bereits zum nächsten Bildpunkt, während die Laser weiterhin periodisch den sägezahnförmigen Chirp emittieren. Die Detektionseinheit 4, umfassend die zwei oder die vier Detektionsbereiche 41, 42, 43, 44, also je ein Detektionsbereich pro Wellenlänge, erfasst mehrere Bildpunkte, eventuell sogar das gesamte zu scannende Sichtfeld, das heißt den gesamten Scanbereich des Lidar-Systems, gleichzeitig. Wird an der Detektionseinheit 4 ein Signal, bestehend aus den vier Teilsignalen aus den vier Wellenlängen, empfangen, so kann daraus über die Fourier-Transformation die Entfernung und die Geschwindigkeit des Objekts 8 zum Lidar-System und relativ zum Lidar-System 1 errechnet werden, eventuell auch für mehrere Objekte 8 gleichzeitig.
Aus der errechneten Entfernung lässt sich nun die seit der Emission der Chirps aus dem Lasersystem 2 vergangene Lichtlaufzeit berechnen, und daraus lässt sich die Scanrichtung ermitteln, in die das Licht zum Zeitpunkt seiner Emission abgebildet und/oder emittiert wurde. Somit lässt sich die gemessene Entfernung nachträglich dem korrekten Bildpunkt zuordnen, auch wenn der Scanner zum Empfangszeitpunkt bereits auf einen anderen Bildpunkt gerichtet ist.
Damit kann ein scannendes FMCW-Lidar-System 1 realisiert werden, mit dem die einzelnen Bildpunkte in einer kürzeren Zeit als der Lichtlaufzeit zum Objekt 8 und zurück aufgenommen werden können. Damit sind schnellere scannende Messungen als mit gepulsten Lidar-Systemen möglich, die Entfernungsmesssysteme sind, jedoch keine Information zur Relativgeschwindigkeit liefern.
Während andere Methoden, die Bildrate bei scannenden FMCW-Systemen zu erhöhen, auf klassische Parallelisierung setzen und damit lediglich eine Erhöhung der Zahl der Messpunkte pro Zeiteinheit proportional zur Zahl der parallelen Systeme erzielen, lässt sich nach dem hier beschriebenen Ansatz durch insbesondere vier parallel durchgeführte Messungen am gleichen Bildpunkt die effektive Messdauer pro Bildpunkt auf deutlich weniger als ein Viertel der Einzelmessung reduzieren. Daher ist die hier beschriebene Methode besonders effiziente und bietet damit auch auf der Kostenseite erhebliches Einsparpotential.
Der einfache Betriebsmodus gemäß 4 liefert auch bei statischen Objekten 8 eine Uneindeutigkeit in der Entfernungsmessung. Diese tritt auf, wenn der Chirp möglicherweise kürzer ist als die Laufzeit des Lichts zum Objekt 8 und zurück. Dieses Problem ist 6 skizziert. Aufgrund der Periodizität der Chirps wird mit der Messung der Differenzfrequenz effektiv eine Phasenverschiebung zwischen ausgesendetem und empfangenem Signal gemessen. Sofern aufgrund der Messempfindlichkeit die Möglichkeit besteht, dass diese größer als eine ganze Periode werden kann, ist es mit der einfachen Messung nicht mehr möglich, die Entfernung zum Objekt eindeutig zu bestimmen.
Möglich sind auch Entfernungen, die um ein ganzzahliges Vielfaches der Entfernung größer sind, die der Umlaufzeit einer Chirp-Periode T1 entspricht. Daher wird in konventionellen Systemen die Chirp-Periode so lang gewählt, dass diese Uneindeutigkeit erst bei Entfernungen auftritt, bei denen selbst bei hoch reflektiven Objekten keine Detektion mehr möglich ist.
Zum Beispiel entspricht die Durchstimmzeit T1, innerhalb der die Emissionswellenlänge E1 einmal linear durch den Wellenlängenbereich L1 durchgestimmt wird, einer Entfernung zum Objekt 8 von 50 m. Der Frequenzunterschied Df entspricht einer Entfernung von 30 m, passt aber auch zu Zeitunterschieden Dt für 80 m, 130 m, 180 m, 230 m und so weiter. Da die Durchstimmzeit T1 kleiner ist als R/c, wobei R eine bestimmungsgemäße maximale Reichweite des Lidar-Systems 1 ist und c die Lichtgeschwindigkeit ist, ergeben sich Mehrdeutigkeiten.
Eine Abhilfe ist in 7 gezeigt: Es wird mit einer zweiten Emissionswellenlänge E2 parallel ein zweiter Chirp in einem zweiten Wellenlängenbereich L2 mit anderer Durchstimmzeit T2 ausgesendet. Damit ergibt sich eine zweite Serie an Entfernungswerten aus der Differenzfrequenz aus dieser zweiten Messung.
Zum Beispiel entspricht die Durchstimmzeit T2 einer Entfernung zum Objekt 8 von 40 m. Der Frequenzunterschied Df entspricht einer Entfernung von 20 m, passt aber auch zu Zeitunterschieden Dt für 60 m, 100 m, 140 m, 180 m, 220 m und so weiter.
Ein Abgleich mit den aus der entsprechenden Liste möglicher Entfernungen aus der ersten Messung, oder ein äquivalentes mathematisches Verfahren, lässt nur noch eine Entfernung übrig, die mit der Messung beider Wellenlängen übereinstimmt. Dies ist im vorliegenden Beispiel eine Entfernung von 180 m. Eine Uneindeutigkeit ergibt sich erst ab dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der einzelnen Uneindeutigkeits-Entfernungen. Die Durchstimmzeiten T1, T2 sind demgemäß so zu wählen, dass solche Uneindeutigkeiten erst außerhalb der maximalen bestimmungsgemäßen Reichweite R auftreten.
Diese Methode erlaubt die Entfernungsmessung mit Chirps, die kürzer dauern als die maximal messbare Umlaufzeit des Lichts zum Objekt 8 und wieder zurück zum Lidar-System 1. Damit sind bei gleichbleibendem Frequenzhub größere Gradienten der Frequenz über der Zeit möglich. Ein konstanter Messfehler der Frequenz ergibt damit einen kleineren Messfehler bei der Laufzeit und damit eine höhere Genauigkeit der Entfernungsmessung.
Eine Messung mit mehreren Wellenlängen kann durch Einsatz eines zweiten oder dritten Lasers und eines zweiten oder dritten Detektors durchgeführt werden. Der lokale Oszillator kann ebenfalls für jede Wellenlänge separat ausgeführt sein, kann aber auch gemeinsam genutzt werden. Mit anderen Worten kann das Licht für den Referenzstrahl vor oder nach der Zusammenführung der Strahlung der zwei oder mehr Laser abgezweigt werden. Zwischen der Empfängeroptik und den Detektoren muss das Licht abhängig von seiner Wellenlänge getrennt werden, beispielsweise durch ein Gitter, ein Prisma oder ein vorgefertigtes Bauelement, wie es für Wellenlängendemultiplexing in Telekommunikationsanwendungen genutzt wird. Die Mischung mit dem Referenzlicht des lokalen Oszillators kann dabei vor oder nach dem wellenlängenselektiven Element geschehen.
Eine separate Emitteroptik für jede Wellenlänge ist möglich, aus Gründen der Baugröße und der Kosten jedoch nicht unbedingt vorzusehen. Die Empfängeroptik wird bevorzugt für alle Wellenlängen gemeinsam genutzt.
Ein weiteres Beispiel ist in 8 gezeigt, wobei eine Messung mit zwei unterschiedlichen Steigungen erfolgt. Ist eine Geschwindigkeitsmessung erforderlich, so sind zwei unterschiedliche Steigungen des Chirps zur Unterscheidung zwischen Entfernungseinfluss und Relativgeschwindigkeitseinfluss auf die Differenzfrequenz nötig. Am einfachsten ist die Auswertung bei Verwendung von entgegengesetzten Chirps. Stehen zwei Wellenlängen zur Verfügung, so können die Messungen mit beiden Steigungen parallel durchgeführt werden. Damit kann für jede Einzelmessung wiederum ein sägezahnförmiger Chirp genutzt werden, so dass wiederum jedes Zeitintervall und jede Phase für eine Messung der Differenzfrequenz genutzt werden kann.
Im Beispiel der 9 erfolgt eine Kombination aus unterschiedlichen Perioden und Steigungen. So zeigt 9 eine Kombination aus den Anwendungsbeispielen der 6, 7 und 8. Durch gleichzeitige Verwendung von vier Emissionswellenlängen E1, E2, E3, E4 in vier Wellenlängenbereichen L1, L2, L3, L4 lassen sich Entfernung und Geschwindigkeit mit Chirps messen, die kürzer sein können als die Lichtlaufzeit zum Objekt und zurück. Die Emissionswellenlängen E1, E3 und E2, E4 weisen je die gleichen Durchstimmzeiten T1 und T2 auf.
Für die Messung ist eine Periode des Chirps mit der längeren Periode T1 ausreichend. Die untere Begrenzung der möglichen Messzeit ergibt sich alleine aus der erreichbaren oder erforderlichen Messgenauigkeit, die wiederum durch die verwendbare Laserleistung limitiert ist. Ist eine sehr hohe Laserleistung möglich, weil einsatzbedingt die Augensicherheit gemäß Laserklasse 1 überschritten werden kann, so sind sehr kurze Messdauern möglich, beispielsweise beim Einsatz von Lidar aus Flugzeugen heraus. Da in solchen Anwendungen oft sehr große Distanzen zu messen sind, mit entsprechend langen Lichtlaufzeiten, ist hier der Vorteil dieser Methode besonders augenfällig.
Ein realistischer Geschwindigkeitsvorteil ergibt sich aber auch schon im Bereich von Entfernungen von wenigen 100 m, wie sie mit augensicheren Lasern beispielsweise im Automobilbereich typisch sind. Wird diese Methode in einem scannenden System eingesetzt, so kann der emittierte Laserstrahl nach einer Chirpperiode des längeren Chirps mit der Dauer T1 zum nächsten Messpunkt gelenkt werden. Die Detektoroptik muss dabei natürlich weiterhin auch Licht aus der vorherigen Emissionsrichtung empfangen können, siehe 10.
So weist das Lidar-System 1 der 10 einen Scanbereich W auf. Ein Detektionswinkelbereich WD der Detektionseinheit 4 ist kleiner als der Scanbereich W und wird somit zeitlich durchgestimmt. Alternativ kann der Detektionswinkelbereich WD auch gleich dem Scanbereich W sein. Ein vergleichsweise schmaler Emissionswinkelbereich WE liegt innerhalb des Detektionswinkelbereichs WD und ist kleiner als der Detektionswinkelbereich WD. Durch die Größe des Emissionswinkelbereichs WE ist die tangentiale räumliche Auflösung des Lidar-Systems 1 gegeben. Der Emissionswinkelbereich WE wird scannend über den Scanbereich W hinweggeführt.
Dies kann durch unterschiedliche Emitteroptiken und Detektoroptiken oder auch durch eine feststehende Detektoroptik realisiert werden. Wird die Methode mit einem nicht-resonanten Spiegel kombiniert, so kann je nach Bedarf die Messdauer situationsbedingt an die Anforderungen angepasst werden. Beispielsweise kann mit einer hohen Scangeschwindigkeit und kurzer Messdauer pro Pixel eine hohe Bildrate mit reduzierter Reichweite realisiert werden. Wird die Messdauer verlängert, etwa durch Anpassung der Chirpdauer oder durch Integration über mehrere Chirps, und entsprechend langsamer gescannt, so kann in ausgewählten Bildbereichen die Präzision und Reichweite der Messung erhöht werden.
Bei der Auswertung einer solchen Messung, bei der das Signal vom Objekt 8 erst nach dem Weiterscannen des Emitters empfangen wird, kann die gemessene Entfernung verwendet werden, um auf die Pixelposition des Objekts 8 zurückzurechnen. Die zugehörige Methode ist in den 11 bis 17 gezeigt, in welchen ein Ablauf eines Scanvorgangs in zeitlichen Schritten darstellt ist. Das Pixel, in dessen Richtung das Lasersystem 2 die Laserstrahlung S1 im betreffenden Zeitschritt emittiert, ist jeweils durch einen Kreis markiert.
11 zeigt den ersten Zeitabschnitt. Das Lasersystem 2 emittieren in Richtung des Pixels 1 für die Dauer beispielsweise eines Chirps der längeren Periode T1. Das Licht erreicht in diesem Zeitabschnitt gerade ein erstes Objekt 8, das sich in dieser Richtung befindet. An der Detektionseinheit 4 mit den Wellenlängenbereich-selektiven Detektionsbereichen trifft noch kein Licht von einem Objekt 8 ein, es wird also noch nichts detektiert.
Dann schwenkt das Lasersystem 2 im zweiten Zeitabschnitt in Richtung Pixel 2, siehe 12. In diesem Zeitabschnitt ist das Licht aus Pixel 1 gerade wieder unterwegs zurück zur Detektionseinheit 4, ist aber noch nicht dort angekommen. Das Licht aus Pixel 2 erreicht das weitere Objekt 8 im Sichtfeld des Pixels 2 noch nicht. Erneut wird nichts detektiert.
In Zeitabschnitt 3, siehe 13, wird in Richtung des Pixels 3 emittiert. Im Sichtbereich des Pixels 2 wird die Laserstrahlung S1 gerade am dortigen Objekt 8 reflektiert. Das im Bereich des Pixels 1 emittierte Licht kommt an der Detektionseinheit 4 an und wird gemessen. Dieses Detektionsereignis I ist durch einen Stern symbolisiert.
Da die Detektoroptik das Licht aus einem größeren Winkelbereich zusammen empfängt, liefert die Detektionseinheit 4 keine Information über die Richtung, aus der dieses Signal empfangen wurde. Allerdings liefert die Detektionseinheit 4 die Information über die Entfernung. Daraus kann über die Lichtgeschwindigkeit berechnet werden, wie lange die soeben detektierte Laserstrahlung S3 unterwegs war. Aus dieser Zeit und der aktuellen Scanposition kann zurückgerechnet werden, in welche Richtung die soeben detektierte Laserstrahlung emittiert wurde. Daraus wird die Winkelposition des detektierten Objekts 8, in diesem Fall Pixel 1, ermittelt.
Die 14 bis 17 zeigen beispielhaft den weiteren Verlauf der Messung. Zu beachten ist, siehe 15 und 17, dass die Detektionseinheit 4 in der Lage ist, mehrere Signale aus unterschiedlichen Entfernungen gleichzeitig zu detektieren. Hier treffen dann zwei reflektierte Signale mit unterschiedlicher Differenzfrequenz ein, was zu einer Überlagerung der Schwebungen führt. Die beiden Frequenzen können in der Fourier-Analyse ermittelt werden. Durch Verwendung von zwei verschiedenen Steigungen der Chirps können von beiden Objekten 8 Geschwindigkeit und Entfernung eindeutig bestimmt werden.
Damit können im beschriebenen Messverfahren beide detektierten Objekte 8, die sich gemäß 15 im Bereich der Pixel 2 und 4 gemäß 17 im Bereich der Pixel 3 und 6 befinden, getrennt betrachtet werden. Das heißt, für jedes Objekt 8 wird aus der Entfernung die Lichtlaufzeit und daraus die Emissionsrichtung und damit das zugehörige Pixel und die damit verbundene Objektposition getrennt ermittelt.
So liefern die Detektionsereignisse I im Zeitschritt zu Pixel 5 der 15 zum Beispiel Entfernungen von 25 m und von 75 m, woraus sich ergibt, dass die betreffenden Objekte 8 in der Zeitdomäne ein Pixel oder drei Pixel zurückliegen und somit den Pixeln 2 und 4 zuzuordnen sind. In gleicher Weise liefern die Detektionsereignisse I im Zeitschritt zu Pixel 7 der 17 zum Beispiel Entfernungen von 25 m und von 100 m, woraus sich ergibt, dass die betreffenden Objekte 8 in der Zeitdomäne ein Pixel oder vier Pixel zurückliegen und somit den Pixeln 3 und 6 zuzuordnen sind
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Lidar-System
2: Lasersystem
21: erster Laser
22: zweiter Laser
33: dritter Laser
34: vierter Laser
4: Detektionseinheit
41..44: Detektionsbereich
51: Strahlteiler
52: Emissionsoptik
53: Scanner
54: Empfangsoptik
55: Gehäuse
8: Objekt
9: modifiziertes Lidar-System
10: Fahrzeug
A: erster Zeitbereich
B: zweiter Zeitbereich
C: dritter Zeitbereich
c: Lichtgeschwindigkeit
d: Abstand
Dd: Frequenzunterschied oder Differenzfrequenz
Dt: Laufzeitunterschied
f: Frequenz als Maß für die Wellenlänge
E: Emissionswellenlänge
I: Detektionsereignis
In: vom Objekt reflektierte, empfangene Laserstrahlung
Out: zum Objekt emittierte Laserstrahlung
L: Wellenlängenbereich
P: Pixel
S: Laserstrahlung
R: bestimmungsgemäße maximale Reichweite
t: Zeit
T: Durchstimmzeit
W: Scanbereich
WD: Detektionswinkelbereich
WE: Emissionswinkelbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2020/081188 A1 [0002, 0048]
WO 2019/205163 A1 [0003, 0048]
US 2018/0284236 A1 [0004, 0048]
US 2019/0257927 A1 [0005, 0048]

Claims

Lidar-System (1) mit - einem ersten Laser (21) und einem zweiten Laser (22), und - einer Detektionseinheit (4) zum Detektieren von Laserstrahlung des ersten und des zweiten Lasers (21, 22), wobei - der erste Laser (21) in einem ersten Wellenlängenbereich (L1) und der zweiten Laser (22) in einem zweiten Wellenlängenbereich (L2) für ein periodisches Durchstimmen einer jeweiligen Emissionswellenlänge (E1, E2) eingerichtet sind, und - sich eine erste Durchstimmzeit T1 des ersten Lasers (21) von einer zweiten Durchstimmzeit T2 des zweiten Lasers (22) unterscheidet.
Lidar-System (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem T1 > T2 gilt und T1/T2 zwischen einschließlich 1,05 bis 1,95 oder zwischen einschließlich 2,05 bis 2,95 oder zwischen einschließlich 3,05 bis 3,95 liegt.
Lidar-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine der Durchstimmzeiten T1 und T2 um mindestens einen Faktor 2 kleiner ist als eine bestimmungsgemäße maximale Reichweite R des Lidar-Systems (1) geteilt durch die Vakuumlichtgeschwindigkeit c.
Lidar-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem m T1 = n T2 mit m, n ∈ ℕ und m < n sowie $n/m \in ℚ ∖ ℕ,$
wobei für alle i = 1, ..., n und für alle j = 1, ..., m gilt: $\frac{i m}{j n} \leq 0,97 Λ 1,03 \leq \frac{i m}{j n},$
sowie m T1 > F R/c und (m - 1) T1 ≤ F R/c mit 0,2 ≤ F ≤ 1,5.
Lidar-System (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei dem die bestimmungsgemäße maximale Reichweite R bei mindestens 0,1 km und bei höchstens 0,5 km oder bei mindestens 2 km und bei höchstens 10 km liegt.
Lidar-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das dazu eingerichtet ist, die Emissionswellenlängen (E1, E2) des ersten Lasers (21) und des zweiten Lasers (22) in Form einer Dreieckvariation oder in Form einer Sägezahnvariation durchzustimmen.
Lidar-System (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der erste Laser (21) und der zweite Laser (22) unterschiedliche Durchstimmsteigungen aufweisen, wobei die Durchstimmsteigungen als Wellenlängenunterschied pro Zeiteinheit definiert sind, innerhalb jeweiliger Durchstimmperioden.
Lidar-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen dritten Laser (33) und einen vierten Laser (34), wobei der dritte Laser (33) in einem dritten Wellenlängenbereich (L3) und der vierte Laser (34) in einem vierten Wellenlängenbereich (L4) für ein periodisches Durchstimmen einer jeweiligen Emissionswellenlänge (E3, E4) eingerichtet sind, wobei sich der erste, der zweite, der dritte und der vierte Wellenlängenbereich (L1, L2, L3, L4) paarweise voneinander unterscheiden und einander nicht überlappen.
Lidar-System (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der dritte Laser (33) und der erste Laser (21) ein erstes Laserpaar und der vierte Laser (34) und der zweite Laser (22) ein zweites Laserpaar bilden, wobei innerhalb der Laserpaare die zugehörigen Durchstimmzeiten gleich, die Durchstimmsteigungen jedoch unterschiedlich sind, sodass die Laser innerhalb jedes Laserpaares dazu eingerichtet sind, zeitlich synchron durchgestimmt zu werden und wobei die Detektionseinheit (4) auch zum Detektieren von Laserstrahlung des dritten und des vierten Lasers (21, 22) eingerichtet ist.
Lidar-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Detektionseinheit (4) dazu eingerichtet ist, die Wellenlängenbereiche (L1, L2, L3, L4) einzeln und unabhängig voneinander zu detektieren, wobei die Laser (21, 22, 33, 34) dazu eingerichtet sind, zu einem bestimmten Zeitpunkt alle in eine bestimmte, gemeinsame Emissionsrichtung zu emittieren, und wobei die Detektionseinheit (4) dazu eingerichtet ist, die Emissionswellenlängen (E1, E2, E3, E4) aus einem räumlichen Bereich zu detektieren, der die Emissionsrichtung umfasst und umhüllt.
Lidar-System (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Laser (21, 22, 33, 34) dazu eingerichtet sind, Pixel abzurastern, wobei die Detektionseinheit (4) dazu eingerichtet ist, die Emissionswellenlängen (E1, E2, E3, E4) aus einem aktuell von den Lasern (21, 22, 33, 34) belichteten Pixel und aus mindestens fünf zeitlich unmittelbar vorangehenden Pixeln zu detektieren.
Lidar-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das für 0,1 µs ≤ T1 ≤ 2 µs eingerichtet ist.
Lidar-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Laser (21, 22, 33, 34) durch Halbleiterlaser gebildet sind und die dazu eingerichtet ist, die Wellenlängenbereiche im nahinfraroten Spektralbereich liegen.
Fahrzeug (10) umfassend mindestens ein Lidar-System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Lidar-System (1) dazu eingerichtet ist, eine Umgebung des Fahrzeugs (10) zu scannen.
Verfahren zum Betreiben eines Lidar-Systems (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend: - Abrastern von Pixeln eines Raumwinkelbereichs mit den Lasern (21, 22, 33, 34), und - Detektieren von Laserstrahlung der Laser (21, 22, 33, 34) kommend aus Pixelbereichen, wobei bei einer Entfernungsermittlung und/oder einer Geschwindigkeitsermittlung eines Objekts (8), das die Laserstrahlung zu dem Lidar-System (1) zurück reflektiert, auch Laserstrahlung aus Pixelbereichen berücksichtigt wird, die vorangehend abgerastert wurden.