DE102020215000B4 - Laserbasierte Erfassungseinrichtung, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben einer laserbasierten Erfassungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Erfassungseinrichtung (10) zur Umfelderfassung, wobei die Erfassungseinrichtung (10) eine Sendeeinheit (14) mit einer Laserlichtquelle (36) aufweist, die dazu ausgelegt ist, einen Pulszug (46) mit mehreren ersten Lichtpulsen (18a), die einen vorbestimmten zeitlichen Abstand (T, T1, T2) zueinander aufweisen, auszusenden, und eine Empfangseinheit (16), die dazu ausgelegt ist, zweite Lichtpulse (18b) zu erfassen, wobei die Sendeeinheit (14) dazu ausgelegt ist, den vorbestimmten zeitlichen Abstand (T, T1, T2) während des Aussendens des Pulszuges (46) in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Modulationsschema (56) zu variieren, wobei die Erfassungseinrichtung (10) eine Auswerteeinheit (24) aufweist, die dazu ausgelegt ist, die von der Empfangseinheit (16) erfassten zweiten Lichtpulse (18b) in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Modulationsschema (56) auszuwerten, dadurch gekennzeichnet, dass- das Modulationsschema (56) so ausgestaltet ist, dass der zeitliche Abstand (T, T1, T2) zufällig gemäß erzeugter Zufallszahlen oder auf der Basis eines Barkercodes variiert wird; und- die Auswerteeinheit (24) dazu ausgelegt ist, zum Auswerten der zweiten Lichtpulse (18b), einen erfassten zeitlichen Intensitätsverlauf (48a, 48b) der erfassten zweiten Lichtpulse (18b) mittels Fourier-Transformation (50) in einen Frequenzraum zu transformieren, und in Abhängigkeit von einem Ergebnis (54a, 54b) der Fourier-Transformation (50), welches einen Frequenzkamm mit mehreren einen Frequenzabstand zueinander aufweisenden Frequenzen (54a, 54b) darstellt, den Frequenzabstand (frep, f1rep, f2rep) zu bestimmen und in Abhängigkeit vom Frequenzabstand (frep, f1rep, f2rep) die jeweiligen zeitlichen Abstände (T, T1, T2) der zweiten Pulse (18b) zu bestimmen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Erfassungseinrichtung zur Umfelderfassung, wobei die Erfassungseinrichtung eine Sendeeinheit mit einer Laserlichtquelle aufweist, die dazu ausgelegt ist, einen Pulszug mit mehreren ersten Lichtpulsen, die einen vorbestimmten zeitlichen Abstand zueinander aufweisen, auszusenden, und eine Erfassungseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, zweite Lichtpulse zu erfassen. Zur Erfindung gehören auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Erfassungseinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Erfassungseinrichtung.
• Laserbasierte Erfassungseinrichtungen, wie zum Beispiel Lidar(Light Detection and Ranging)-Systeme, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Mittlerweile kommen solche Systeme vermehrt im Kraftfahrzeugbereich zum Einsatz, da gerade für das automatische Fahren eine möglichst sichere Umfeldwahrnehmung unabdinglich ist. Insbesondere dem Lidar kommt in der redundanten, robusten Umfelderfassung eine tragende Rolle zugute, da dieser Sensortyp präzise in der Umfelderfassung Entfernungen messen und auch zur Klassifikation eingesetzt werden kann. Konventionelle Lidar-Systeme setzen vor allem auf das Time-of-Flight-Messverfahren, bei welchem die Lichtlaufzeit gemessen wird, um die zurückgelegte Distanz zu ermitteln. Dabei werden Lichtimpulse emittiert, welche vom Umfeld reflektiert und detektiert werden. Die maximale Reichweite dieser Systeme korreliert mit der Anzahl der reflektierten Photonen. Je mehr Photonen von der Oberfläche eines Objekts oder Hindernisses zurückgeworfen werden, desto eher wird dieses durch die im Sensor verbauten Photodioden als Beispiel für eine Empfangseinheit detektiert. Dabei skaliert die Anzahl der detektierbaren Photonen linear mit der emittierten Leistung. Daher werden Time-of-Flight-Lidar-Systeme im Einsatz für automatische Fahrfunktionen normalerweise nahe der maximal emittierbaren Leistung betrieben. Die Anzahl der emittierten Photonen ist demnach so hoch, dass diese Systeme besonders anfällig gegenüber Wechselwirkungen mit anderen Lidar-Systemen oder Emissionsquellen gleicher Wellenlänge sind. So treten zum Beispiel Geisterziele als Wechselwirkungen mit räumlich benachbarten Systemen auf, wie zum Beispiel auf einem anderen Fahrzeug eingesetzte Systeme. Wünschenswert wäre es daher, die von einem Lidar emittierten und erfassten Lichtpulse möglichst zuverlässig von denen eines anderen Lidars unterscheiden zu können, um Geisterziele zu vermeiden und folglich die Erfassungsqualität zu verbessern.
• Die EP 3 614 175 A1 beschreibt ein Verfahren zur optischen Distanzmessung, wobei eine Vielzahl von Messpulsen ausgesandt wird und die Reflektion von den ausgesandten Messpulsen an mindestens einem Objekt empfangen wird. Dabei wird eine Sequenz von Messpulsen ausgesandt, wobei die Sequenz zeitliche Pulsabstände zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Messpulsen umfasst, die eine bestimmte Relation erfüllen.
• Die EP 2 694 996 B1 beschreibt ein Verfahren zur Entfernungsmessung von Umgebungszielen durch Laufzeitmessung von reflektierten Impulsen. Hierbei werden Impulse mit einem Impulsabstand ausgesandt, der entsprechend einem Modulationssignal variiert wird.
• Nathad D. „Cavity length depenence of mode beating in passively Q-switched Nd-solid state lasers“, Proc SPIE 8599, Solid State Lasers XXII: Technology and Devices 85991V (6 March 2013) offenbart die Abhängigkeit zwischen Resonatorlänge und Pulsemissionsrate.
• Die US 2013/0 106 650 A1 beschreibt einen amplitudenmodulierten Radar.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine laserbasierte Erfassungseinrichtung zur Umfelderfassung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer laserbasierten Erfassungseinrichtung bereitzustellen, die eine möglichst hohe Erfassungsqualität bei der Umfelderfassung ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Erfassungseinrichtung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
• Eine erfindungsgemäße Erfassungseinrichtung zur Umfelderfassung weist eine Sendeeinheit mit einer Laserlichtquelle auf, die dazu ausgelegt ist, einen Pulszug mit mehreren ersten Lichtpulsen, die einen vorbestimmten zeitlichen Abstand zueinander aufweisen, auszusenden, und eine Empfangseinheit die dazu ausgelegt ist, zweite Lichtpulse zu erfassen. Darüber hinaus ist die Sendeeinheit dazu ausgelegt, den vorbestimmten zeitlichen Abstand während des Aussendens des Pulszuges in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Modulationsschema zu variieren, wobei die Erfassungseinrichtung weiterhin eine Auswerteeinheit aufweist, die dazu ausgelegt ist, die von der Empfangseinheit erfassten zweiten Lichtpulse in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Modulationsschema auszuwerten. Dabei ist das Modulationsschema so ausgestaltet, dass der zeitliche Abstand zufällig gemäß erzeugter Zufallszahlen oder auf der Basis eines Barkercodes variiert wird. Zudem ist die Auswerteeinheit dazu ausgelegt, zum Auswerten der zweiten Lichtpulse, einen erfassten zeitlichen Intensitätsverlauf der erfassten zweiten Lichtpulse mittels Fourier-Transformation in einen Frequenzraum zu transformieren, und in Abhängigkeit von einem Ergebnis der Fourier-Transformation, welches einen Frequenzkamm mit mehreren einen Frequenzabstand zueinander aufweisenden Frequenzen darstellt, den Frequenzabstand zu bestimmen und in Abhängigkeit vom Frequenzabstand die jeweiligen zeitlichen Abstände der zweiten Pulse zu bestimmen.
• Durch die Variation des zeitlichen Abstands der ausgesandten Lichtpulse gemäß einem vorgegebenen Modulationsschema ist es vorteilhafterweise möglich, diese Lichtpulse bei Empfang durch die Sendeeinheit von denen einer anderen Erfassungseinrichtung anhand des vorgegebenen Modulationsschemas zu unterscheiden. Durch eine zeitliche Variation der Lichtpulsabstände können also Geisterziele effektiv vermieden werden und damit die Erfassungsqualität bei der Umfelderfassung durch die Erfassungseinrichtung signifikant verbessert werden. Im Gegensatz zu anderen Modulationsvarianten, wie beispielsweise einer Amplitudenmodulation, bleibt die maximal mögliche Reichweite der Erfassungseinrichtung im Wesentlichen unberührt, da die Amplitude eines Lichtpulses direkt mit der Intensität eines Lichtpulses korreliert, der Pulsabstand jedoch nicht.
• Ein Pulszug stellt dabei eine Abfolge mehrerer einzelner Lichtpulse dar. Dabei umfasst ein Pulszug mindestens zwei Lichtpulse. Der Pulszug kann auch mehrere Teil-Pulszüge aufweisen, die wiederum jeweils mehrere, d.h. mindestens zwei, Lichtpulse umfassen, wobei dann zum Beispiel die Lichtpulse innerhalb eines Teil-Pulszugs mit einem konstanten zeitlichen Abstand zueinander emittiert werden können und der zeitliche Abstand zwischen Lichtpulsen unterschiedlicher Teil-Pulszüge gemäß dem Modulationsschema moduliert wird, und/oder es kann auch vorgesehen sein, dass die zeitlichen Abstände der Lichtpulse innerhalb eines gleichen Teil-Pulszugs variiert werden.
• Bei der Erfassungseinrichtung kann es sich insbesondere um eine eingangs beschriebene laserbasierte Erfassungseinrichtung handeln, die auf dem Time-of-Flight-Messverfahren basiert. Zur Detektion der zweiten Lichtpulse kann die Empfangseinheit beispielsweise eine Photodiode aufweisen. Weiterhin stellt die Laserlichtquelle vorzugsweise eine monochromatische Laserlichtquelle dar. Dies muss aber nicht notwendigerweise der Fall sein. Die Laserlichtquelle kann beispielsweise auch einen Laser mit hoher Bandbreite aufweisen. Weiterhin soll die Dauer eines Lichtpulses vorzugsweise kleiner sein als der zeitliche Abstand zwischen zwei Lichtpulsen, insbesondere deutlich kleiner, wodurch die Unterscheidung zweier Lichtpulse vereinfacht wird.
• Weiterhin können die zweiten Lichtpulse die ersten Lichtpulse darstellen, die an einem Objekt oder Hindernis in der Umgebung reflektiert wurden. Die zweiten Lichtpulse können aber auch andere Lichtpulse darstellen, zum Beispiel von einer anderen Sendeeinheit einer anderen solchen Erfassungseinrichtung ausgesandte Lichtpulse. Um dies zu unterscheiden, kann nun vorteilhafterweise die Auswerteeinheit das vorgegebene Modulationsschema heranziehen, welches sich auch in den erfassten zweiten Lichtpulsen wiederspiegeln muss, sofern diese zumindest einen Teil der ausgesandten ersten Lichtpulse darstellen. Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Auswerteeinheit dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Modulationsschema zu überprüfen, ob die erfassten zweiten Lichtpulse und/oder welche der erfassten zweiten Lichtpulse zumindest einen Teil zumindest mancher der von der Sendeeinheit ausgesandten und an einem Objekt in der Umgebung reflektierten ersten Lichtpulse darstellen. Die von der Sendeeinheit empfangenen Lichtpulse können dabei sowohl Lichtpulse umfassen, die von der Sendeeinheit ausgesandt wurden als auch Lichtpulse, die von fremden Sendeeinheiten ausgesandt wurden. Anhand des Modulationsschemas kann dies nun vorteilhafterweise von der Auswerteeinheit unterschieden werden. Entsprechend können lediglich diejenigen empfangenen Lichtpulse auch zur Auswertung hinsichtlich in der Umgebung vorhandener Objekte beitragen, die anhand des Modulationsschemas als von der eigenen Sendeeinheit ausgesandte Lichtpulse identifiziert wurden. Weiterhin wird typischerweise nicht die gesamte, in einem ausgesandten und reflektierten Lichtpuls initial enthaltene Leistung auch von der Sendeeinheit empfangen. Aufgrund der Streuung am Objekt in der Umgebung, sowie auch abhängig von dem Laufweg des Lichtpulses, treten unweigerlich Lichtverluste auf. Demnach kann immer nur ein Teil eines ausgesandten Lichtpulses auch von der Sendeeinheit nach Reflektion dieses Lichtpulses wieder empfangen werden. Selbst wenn also vereinfachend im Rahmen der vorliegenden Erfindung vom Empfang der reflektierten ersten Lichtpulse die Rede ist, so soll darunter ein entsprechender Empfang zumindest eines Teils der ausgesandten und reflektierten ersten Lichtpulse verstanden werden.
• Erfindungsgemäß ist die Auswerteeinheit dazu ausgelegt, zum Auswerten der zweiten Lichtpulse einen erfassten zeitlichen Intensitätsverlauf der Pulsfolge mittels Fourier-Transformation in einen Frequenzraum zu transformieren und in Abhängigkeit von einem Ergebnis der Fourier-Transformation die jeweiligen zeitlichen Abstände der zweiten Lichtpulse zu bestimmen. Dabei werden also von der Empfangseinheit Lichtpulse in Form eines Intensitätssignals erfasst, welches einen zeitlichen Intensitätsverlauf darstellt. Durch Fourier-Transformation dieses zeitlichen Intensitätsverlaufs in den Frequenzraum kann der zeitliche Abstand zwischen zwei Lichtpulsen sehr präzise ermittelt werden. Dies ist gerade dann von besonders großem Vorteil, wenn die Lichtpulse mit einer sehr hohen Pulsfrequenz und damit in sehr kurzen zeitlichen Abständen ausgesandt werden. Eine solche Pulsfrequenz beziehungsweise Pulswiederholrate liegt vorzugsweise im Kilohertz-Bereich. Entsprechend ist es besonders vorteilhaft, den zeitlichen Abstand zwischen den Lichtpulsen, die mittels der Empfangseinheit erfasst wurden, auf Basis einer Fourier-Transformation zu bestimmen. Diese kann beispielsweise in der Auswerteeinheit als FFT (fast fourier transform) implementiert sein.
• Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass die Auswerteeinheit dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Fourier-Transformation, welche einen Frequenzkamm mit mehreren einen Frequenzabstand zueinander aufweisenden Frequenzen darstellt, den Frequenzabstand zu bestimmen und in Abhängigkeit vom Frequenzabstand die jeweiligen zeitlichen Abstände der zweiten Pulse zu bestimmen. Der zeitliche Abstand aufeinanderfolgend emittierte Lichtpulse äußert sich im Frequenzraum in einem korrespondierenden Frequenzabstand, den einzelne Frequenzen eines Frequenzkamms zueinander aufweisen. Die Inverse Fourier-Transformation dieses Frequenzabstands liefert entsprechend den zeitlichen Abstand zwischen zwei Lichtpulsen. Dadurch lässt sich der zeitliche Abstand einerseits besonders einfach und andererseits besonders genau ermitteln.
• Der Frequenzabstand stellt damit die Pulswiederholfrequenz dar, mit welcher die Lichtpulse ausgesandt bzw. empfangen wurden und ist definiert als die Anzahl der Lichtpulse pro Zeiteinheit. Im Rahmen der Erfindung werden im Übrigen die Begriffe Pulswiederholfrequenz, Pulswiederholrate, Repetitionsrate und Repetitionsfrequenz synonym verwendet.
• Dabei ist es weiterhin bevorzugt, dass das transformierte Pulszugintervall möglichst klein ist und nur wenige Lichtpulse umfasst. Dies hat den Vorteil, dass die in diesem kleinen Intervall betrachteten Lichtpulse trotz Variation des zeitlichen Abstands der ausgesandten ersten Lichtpulse dennoch einen nahezu konstanten zeitlichen Abstand im betrachteten kurzen Intervall zueinander aufweisen, was sich in einem Frequenzkamm mit Frequenzen äußert, die zueinander einen konstanten Frequenzabstand aufweisen. Hierdurch lässt sich der zeitliche Abstand zwischen zwei Pulsen besonders genau ermitteln. Die Fourier-Transformation empfangener Pulszugabschnitte wird dabei wiederholt durchgeführt, insbesondere fortwährend wiederholt durchgeführt, so dass sich die Änderungen des zeitlichen Abstands zwischen den empfangenen Lichtpulsen, sofern diese von der eigenen Sendeeinheit stammen, in unterschiedlichen Frequenzabständen äußern, die aus jeweiligen Frequenzspektren bestimmt werden, die durch die Fourier-Transformation erhalten werden. Durch Abgleich mit dem vorbestimmten Modulationsschema kann so festgestellt werden, ob die empfangenen Lichtpulse auch die ersten Lichtpulse, die von der eigenen Sendeeinheit ausgesandt wurden, darstellen. Um nun eine solche zeitliche Variation der Abstände der Lichtpulse, welche von der Sendeeinheit ausgesandt werden, bereitzustellen, gibt es nun mehrere Möglichkeiten:
• Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Laserlichtquelle zur Erzeugung des Pulszugs einen Resonator auf, welcher einen optischen Pfad mit einer optischen Weglänge bereitstellt, wobei die Sendeeinheit dazu ausgelegt, um den vorbestimmten zeitlichen Abstand während des Aussendens des Pulszugs zu variieren, die optische Weglänge zeitlich zu variieren. Die optische Weglänge im Resonator bestimmt dabei die Pulswiederholrate und damit auch den zeitlichen Abstand zwischen zwei ausgesandten Lichtpulsen. Durch Variation der optischen Weglänge lässt sich damit vorteilhafterweise der zeitliche Abstand zwischen ausgesandten Lichtpulsen variieren. Die optische Weglänge des Resonators kann dabei also gemäß dem vorgegebenen Modulationsschema variiert werden. Die Art der zeitlichen Variation der optischen Weglänge bestimmt dabei das Modulationsschema, gemäß welchem der zeitliche Abstand der ersten Lichtpulse variiert beziehungsweise die optische Weglänge kann gemäß dem Modulationsschema variiert werden, was eine korrespondierende zeitliche Variation des Zeitabstands der Lichtpulse, die ausgesandt werden, hervorruft. Mit anderen Worten kann ein gewünschtes Modulationsschema, gemäß welchem der zeitliche Abstand der ausgesandten Lichtpulse variieren werden soll, auf besonders einfache Weise dadurch umgesetzt werden, indem die optische Weglänge des Resonators gemäß diesem Modulationsschema moduliert wird. Um dies zu bewerkstelligen, gibt es wiederum mehrere Möglichkeiten.
• Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die Sendeeinheit dazu ausgelegt ist, um die optische Weglänge zeitlich zu variieren, eine Resonatorlänge des Resonators mechanisch zeitlich zu variieren. Die Resonatorlänge soll dabei insbesondere als eine Länge einer Kavität aufgefasst werden, welche durch den Resonator bereitgestellt wird. Üblicherweise weist ein solcher Resonator zwei spiegelnde Elemente auf, zwischen welchen ein aktives Medium angeordnet ist. Der Abstand zwischen diesen spiegelnden Elementen, zwischen welchen sich insbesondere eine stehende optische Welle ausbildet, stellt dabei die Länge der Kavität des Resonators dar. Wenn im Folgenden also von Resonatorlänge die Rede ist, so soll dabei die Länge dieser Kavität des Resonators darunter verstanden werden. Durch Variation der Resonatorlänge lässt sich also auf besonders einfache Weise die optische Weglänge modifizieren und entsprechend variierende zeitliche Abstände der ausgesandten Lichtpulse bereitstellen. Dies lässt sich zum Beispiel auf einfache Weise durch einen Aktuator bewerkstelligen, der dazu ausgelegt ist, zum Beispiel eines der beiden reflektiven beziehungsweise spiegelnden Elemente, zwischen welchen die Kavität des Resonators ausgebildet ist, zu bewegen, um dadurch den Abstand zwischen diesen spiegelnden Elementen, welcher die Resonatorlänge darstellt, zu ändern. Die Längenänderung stellt dabei vorzugsweise ein zumindest halbzahliges Vielfaches der Wellenlänge der ausgesandten Lichtpulse dar.
• Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit, die optische Weglänge zeitlich zu variieren, besteht darin, dass der Resonator ein aktives Medium mit einer optischen Dichte aufweist, wobei die Sendeeinheit dazu ausgelegt ist, um die optische Weglänge zeitlich zu variieren, die optische Dichte des aktiven Mediums zeitlich zu variieren. Wie beschrieben befindet sich dieses aktive Medium typischerweise zwischen den beiden spiegelnden Elementen in der Kavität des Resonators, in welcher sich eine stehende optische Welle ausbildet. Die optische Dichte dieses Mediums wird durch dessen Brechungsindex beschrieben. Eine Variation des Brechungsindex dieses aktiven Mediums führt entsprechend zu einer Änderung der optischen Weglänge im Resonator. Eine solche Brechungsindexänderung kann zum Beispiel durch ein optisches Bauteil zur elektronischen Veränderung des Brechungsindex bewirkt werden, welches in dem Resonator eingesetzt werden kann. Ein solches optisches Bauteil kann den Brechungsindex des aktiven Mediums gemäß dem vorgegebenen Modulationsschema modulieren, was automatisch zu einer Modulation der zeitlichen Abstände der Lichtpulse führt, die von der Sendeeinheit ausgesandt werden, die diesem Modulationsschema entsprechen. Zur Brechungsindexmodulation kann beispielsweise ein elektrooptischer Modulator verwendet werden, ein akustooptischer Modulator oder ein LCD-Beamshaper. Andere Möglichkeiten sind ebenso denkbar.
• Weiterhin kann die Modulation der optischen Weglänge durch Variation der Resonatorlänge sowie durch Modulation des Brechungsindex auch miteinander kombiniert werden. Dies stellt vorteilhafterweise noch mehr und zudem auch schnellere Modulationsmöglichkeiten bereit. Die Modulation der optischen Weglänge durch Brechungsindexmodulation mittels eines optischen Bauteils oder durch Änderung der Resonatorlänge hat dabei den Vorteil, dass die Leistung und damit auch die Intensität der ausgesandten Lichtpulse konstant gehalten werden kann, so dass jederzeit die maximale Reichweite bereitgestellt werden kann.
• Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Sendeeinheit also dazu ausgelegt, um den vorbestimmten zeitlichen Abstand während des Aussendens des Pulszuges zu variieren und eine Sendeleistung der Erfassungseinrichtung zu variieren. Diese vorteilhafte Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, dass bei hohen Intensitäten sich der nichtlineare Anteil des Brechungsindex bemerkbar macht, was auf nichtlineare Effekte, wie zum Beispiel den Kerr-Effekt, zurückzuführen ist. Demnach ergibt sich der Brechungsindex wie folgt: n(I) = n + n₂ · I, wobei n(I) den Gesamtbrechungsindex des aktiven Mediums im Resonator darstellt. Dieser setzt sich aus einer intensitätsunabhängigen Komponente n und einer intensitätsabhängigen Komponente n₂ zusammen, wobei insbesondere I die Intensität bezeichnet. Typischerweise treten innerhalb von Laserresonatoren extrem hohe Intensitäten auf, so dass dieser nicht lineare Beitrag n₂ · I nicht vernachlässigbar ist. Der Parameter n₂ bietet folglich in diesem Fall die Möglichkeit, ebenfalls die optische Weglänge durch Variation der optischen Dichte zu modulieren. Diese Modulation erfolgt entsprechend über die Sendeleistung der Erfassungseinrichtung, die wiederum von der Leistung der Pumpe des Lasersystems abhängt, die wiederum die resonatorinterne Intensität beeinflusst. So kann über Modulation der Pumpleistung auch die optische Dichte des aktiven Mediums im Resonator moduliert werden, und somit die Pulswiederholrate und damit auch der zeitliche Abstand zwischen den ausgesandten Pulsen aktiv verändert werden.
• Somit sind insgesamt viele vorteilhafte Möglichkeiten bereitgestellt, wie die zeitlichen Abstände zwischen ausgesandten Lichtpulsen gemäß einem vorgegebenen Modulationsschema einfach moduliert werden können.
• Bei der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Modulationsschema so ausgestaltet, dass der zeitliche Abstand zufällig gemäß erzeugter Zufallszahlen variiert wird. Die Sendeeinheit ist also dazu ausgelegt, den zeitlichen Abstand zufällig gemäß erzeugter Zufallszahlen zu variieren. Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit, dass Lichtpulse eines anderen Lasersystems mit der gleichen Änderung des zeitlichen Abstands zwischen ausgesandten Lichtpulsen, wie die von der eigenen Erfassungseinrichtung beziehungsweise der eigenen Sendeeinheit ausgesandten Lichtpulsen erfasst werden, enorm reduziert werden. Die Wahrscheinlichkeit für die Erfassung von Geisterzielen kann damit zusätzlich gesenkt werden.
• Ebenso vorteilhaft ist es, wenn das Modulationsschema so ausgestaltet ist, dass der zeitliche Abstand auf Basis eines Barkercodes variiert wird. Mit anderen Worten ist die Sendeeinheit dazu ausgelegt, den zeitlichen Abstand auf Basis eines Barkercodes als Modulationsschema zu variieren. Dies hat den Vorteil, dass hierdurch ein orthogonales Signal bereitgestellt werden kann. Die Ähnlichkeit mit sich selbst ist bei zeitlicher Verschiebung sehr gering, weshalb Fremdpulse von Eigenpulsen selbst dann noch unterschieden werden können, wenn diese gemäß dem gleichen Modulationsschema, jedoch zeitlich versetzt zueinander, empfangen werden.
• Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das Modulationsschema so ausgestaltet ist, dass der zeitliche Abstand auf der Basis des Barkercodes mit der Länge 13 variiert wird. Entsprechend ist hier auch die Sendeeinheit wiederum dazu ausgelegt, den zeitlichen Abstand auf Basis eines Barkercodes mit der Länge 13 zu variieren. Dies stellt den längsten Barkercode dar und bietet damit hinsichtlich der Eindeutigkeit auch die größtmögliche Sicherheit. Darüber hinaus sind vorteilhafterweise die oben genannten Beispiele auch miteinander kombinierbar, das heißt, eine Barkercode-Zahlenfolge kann durch Zufallszahlen überlagert sein, wodurch ein entsprechendes, noch sichereres Modulationsschema bereitgestellt wird. Grundsätzlich lässt sich aber auch jedes beliebige andere Modulationsschema verwenden, zum Beispiel auch eine einfache lineare Modulation.
• Die Sendeeinheit ist also dazu ausgelegt, den zeitlichen Abstand zufällig gemäß erzeugter Zufallszahlen zu variieren. Entsprechend ist hier auch die Sendeeinheit wiederum dazu ausgelegt, den zeitlichen Abstand auf Basis eines Barkercodes, insbesondere mit der Länge 13, zu variieren.
• Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Erfassungseinrichtung als Lidar-System ausgebildet ist. Gerade Lidar-Systeme werden häufig im Kraftfahrzeugbereich zur Umfelderfassung eingesetzt. Daher stellt die Kombination der Ausbildung der Erfassungseinrichtung als Lidar mit der modulationsbasierten Unterscheidbarkeit zwischen Eigen- und Fremdpulsen einen besonders großen Vorteil dar, da eine solche Unterscheidbarkeit gerade bei der Umfelderfassung im Kraftfahrzeugbereich enorm von Vorteil ist. Dies ist dadurch bedingt, dass zum einen immer mehr Fahrzeuge Lidar-Systeme aufweisen, die sich ohne Unterscheidungsmöglichkeit zwischen Eigen- und Fremdpulsen zunehmend gegenseitig stören, und zum anderen, dass auch am gleichen Fahrzeug mehrere Lidar-Systeme zum Einsatz kommen können, die ebenfalls überlappende Erfassungsbereiche aufweisen können oder sogar aufweisen müssen aufgrund der erfolgenden Redundanz der Datenerfassung, so dass es auch bei solchen Systemen ohne eine Unterscheidungsmöglichkeit zwischen Eigen- und Fremdpulsen zu enormen gegenseitigen Interferenzen und Störungen kommen kann.
• Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung oder eine ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Erfassungseinrichtung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
• Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Erfassungseinrichtung zur Umfelderfassung, wobei die Erfassungseinrichtung eine Sendeeinheit mit einer Laserlichtquelle aufweist, die einen Pulszug mit mehreren ersten Lichtpulsen, die einen vorbestimmten zeitlichen Abstand zueinander aufweisen, aussendet, und einen Empfangseinheit, die dazu ausgelegt ist, zweite Lichtpulse zu erfassen. Des Weiteren variiert die Sendeeinheit den vorbestimmten zeitlichen Abstand während des Aussendens des Pulszuges in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Modulationsschema, wobei die Erfassungseinrichtung eine Auswerteeinheit aufweist, die die von der Empfangseinheit erfassten zweiten Lichtpulse in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Modulationsschema auswertet. Dabei ist das Modulationsschema so ausgestaltet, dass der zeitliche Abstand zufällig gemäß erzeugter Zufallszahlen oder auf der Basis eines Barkercodes variiert wird. Zudem transformiert die Auswerteeinheit zum Auswerten der zweiten Lichtpulse einen erfassten zeitlichen Intensitätsverlauf der erfassten zweiten Lichtpulse mittels Fourier-Transformation in einen Frequenzraum, und bestimmt in Abhängigkeit von einem Ergebnis der Fourier-Transformation, welches einen Frequenzkamm mit mehreren einen Frequenzabstand zueinander aufweisenden Frequenzen darstellt, den Frequenzabstand und in Abhängigkeit vom Frequenzabstand die jeweiligen zeitlichen Abstände der zweiten Pulse.
  Die für die erfindungsgemäße Erfassungseinrichtung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
• Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
• Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
• Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung einer Lidar-Punktewolkeaufnahme eines Versuchsfahrzeugs mit fünf herkömmlichen Lidar-Systemen gemäß dem Stand der Technik;
• 2 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs in einer Draufsicht mit einer laserbasierten Erfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• 3 eine schematische Darstellung einer Sendeeinheit einer Erfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• 4 eine graphische Darstellung eines Pulszugs mit mehreren Lichtpulsen, die einen ersten zeitlichen Abstand zueinander aufweisen, in einer Zeitdomäne und in einer Frequenzdomäne, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Pulszugs mit mehreren Lichtpulsen, die einen zweiten zeitlichen Abstand zueinander aufweisen in einer Zeitdomäne und in einer Frequenzdomäne;
• 6 eine graphische Darstellung eines exemplarischen Modulationsschemas zur Modulation des Zeitabstands der Lichtpulse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
• 7 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben einer laserbasierten Erfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
• In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
• Für das automatische Fahren ist eine möglichst sichere Umfeldwahrnehmung unabdinglich. Dabei wird das Umfeld in der Regel mit Hilfe von Sensoren, wie Radar, Lidar und Kamera erfasst. Besonders wichtig ist eine ganzheitliche 360°-3D-Erfassung der Umwelt, so dass alle statischen und dynamischen Objekte erfasst werden. Insbesondere dem Lidar kommt in der redundanten, robusten Umfelderfassung eine tragende Rolle zugute, da dieser Sensortyp präzise in der Umfelderfassung Entfernungen messen und auch zur Klassifikation eingesetzt werden kann. Allerdings sind diese Sensoren kostenintensiv und in ihrem Aufbau aufwendig. Insbesondere die 360°-3D-Umfelderfassung ist problematisch, da entweder viele kleinere Einzelsensoren notwendig sind, um dieses zu gewährleisten, welche in der Regel mit vielen einzelnen Lichtquellen und Direktorelementen arbeiten, oder es werden große Sensoren verbaut, zum Beispiel mechanisch rotierende LiDAR-Systeme.
• Konventionelle Lidar-Systeme setzen vor allem auf das Time-of-Flight-Messverfahren, bei welchem die Lichtlaufzeit gemessen wird, um die zurückgelegte Distanz zu ermitteln, so wie dies auch für die laserbasierte Erfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung der Fall ist. Dabei zeigt 2 schematisch eine solche laserbasierte Erfassungseinrichtung 10 als Teil eines Kraftfahrzeugs 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die laserbasierte Erfassungseinrichtung 10 kann zum Beispiel als Lidar-System ausgebildet sein. Die Erfassungseinrichtung 10 umfasst dabei zum einen eine Sendeeinheit 14, die eine Laserlichtquelle umfasst, sowie eine Empfangseinheit 16, die einen Lichtdetektor, zum Beispiel eine Photodiode, aufweist. Die Sendeeinheit 14 ist dabei dazu ausgelegt, Lichtpulse 18a mit einem zeitlichen Abstand zueinander, zum Beispiel in Form eines oder mehrere Pulszüge, auszusenden. Werden diese Lichtpulse 18a von einem Objekt 20 in der Umgebung 22 in Richtung der Erfassungseinrichtung 10 reflektiert, so können diese reflektierten Lichtpulse 18b von der Empfangseinheit 16 der Erfassungseinrichtung 10 erfasst werden. Weiterhin umfasst die Erfassungseinrichtung 10 auch eine Auswerteeinheit 24, welche dazu ausgelegt ist, die von der Empfangseinheit 16 erfassten Signale auszuwerten. In Abhängigkeit von der Richtung, in welcher die Lichtpulse 18a ausgesandt wurden, sowie in Abhängigkeit von der Laufzeit, die zwischen dem Aussenden und Empfangen der reflektierten Lichtpulse 18b vergangen ist, kann die Auswerteeinheit 24 ermitteln, in welcher Richtung und in welcher Entfernung sich das Objekt 20 beziehungsweise ein Objektpunkt befindet. Es werden also Lichtimpulse beziehungsweise Lichtpulse 18a emittiert, welche vom Umfeld 22 reflektiert und wieder detektiert werden. Die maximale Reichweite der Systeme, zum Beispiel einer solchen Erfassungseinrichtung 10, korreliert mit der Anzahl der reflektierten Photonen. Je mehr Photonen von der Oberfläche eines Hindernisses 20 zurückgeworfen werden, desto eher wird dies durch die im Sendeeinheit, das heißt in der Erfassungseinrichtung 10, verbauten Photodioden detektiert. Die Anzahl der Photonen pro Puls γ ergibt sich durch: $$\mathrm{\gamma }={\text{E}}_{\text{P}}/{\text{E}}_{\mathrm{\gamma }}=\text{P}/\left({\text{E}}_{\mathrm{\gamma }}\cdot {\text{f}}_{\text{rep}}\right)$$

  

  wobei E_P die Pulsenergie, E_γ die einzelne Photonenenergie, f_rep die Repetitionsrate des Lasersystems und P die emittierte mittlere Leistung beschreibt. Anhand dieser Formel wird ersichtlich, dass die Anzahl der detektierbaren Photonen linear mit der emittierten Leistung skaliert. Time-of-Flight-Lidar-Systeme im Einsatz für automatische Fahrfunktionen werden nahe maximal emittierbaren Leistung betrieben. Die Anzahl der emittierten Photonen ist demnach so hoch, dass diese Systeme besonders anfällig gegenüber Wechselwirkungen mit anderen Lidar-Systemen oder Emissionsquellen gleicher Wellenlänge sind. So treten zum Beispiel Geisterziele als Wechselwirkungen mit räumlich benachbarten Systemen auf, zum Beispiel bei einem auf einem zweiten Fahrzeug eingesetzten System. Dies ist in 1 exemplarisch illustriert. 1 zeigt dabei eine schematische Darstellung einer Lidar-Punktewolke 26 eines Versuchsträgers mit fünf verbauten herkömmlichen Lidarsensoren. Die Position dieses Versuchsfahrzeugs ist in 1 mit X bezeichnet. Dieser durch einen solchen Lidarsensor erfasste Messpunkt wird in eine solche Punktewolke 26 eingetragen. Durch Auswertung dieser Punktewolke 26 können dann entsprechend andere Fahrzeuge 28 detektiert werden, sowie zum Beispiel auch Fahrbahnbegrenzungen 30. Durch Interferenzeffekte zwischen den mehreren Lidarsensoren entstehen jedoch auch Fehldetektionen. Solche Fehldetektionen werden auch Geisterziele (englisch: „ghost targets“) genannt. In diesem Beispiel sind exemplarisch drei Geisterziele 32 detektiert worden, die in 1 jeweils als umkreister Punkt dargestellt sind. Diese virtuellen Objekte 32 bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit auf den Versuchsträger an der Position X zu, was durch die Pfeile 34 veranschaulicht werden soll, so dass die Fahrfunktion, die auf dieser Umfelderfassung basiert, eine Kollision erwartet und ein Bremsmanöver einleitet. Dies kann vorteilhafterweise durch die Erfindung beziehungsweise ihre Ausführungsformen vermieden werden, da diese eine Möglichkeit bereitstellen, zwischen Lichtpulsen der eigenen Erfassungseinrichtung und denen, die von einer anderen Erfassungseinrichtung ausgesandt wurden, zu unterscheiden. Dies wird nun anhand von 2 sowie den nachfolgenden Figuren näher erläutert.
• Dies wird dadurch realisiert, dass die Sendeeinheit 14 dazu ausgelegt ist, die emittierte Strahlung zur eindeutigen Kodierung zu modulieren, um diese eindeutig von Strahlung anderer Quellen unterscheiden zu können. Dabei wird insbesondere die Repetitionsrate f_rep des Lasersystems, das heißt der Erfassungseinrichtung 10, und damit der zeitliche Abstand zwischen den ausgesandten Lichtpulsen 18a, moduliert. Diese Modulationsmöglichkeiten werden nun anhand von 3 näher erläutert.
• Lidar-Systeme, wie die hier illustrierte laserbasierte Erfassungseinrichtung 10, verwenden einen Laser als Emissionsquelle der kohärenten Strahlung zur Detektion des Umfelds 22. Eine solche exemplarische Laserlichtquelle 36, die Teil der Sendeeinheit 14 der laserbasierten Erfassungseinrichtung 10, ist exemplarisch in 3 dargestellt. In Time-of-Flight und anderen auf Pulszügen basierten Systemen sowie auch bei der laserbasierten Erfassungseinrichtung 10 im Rahmen der Erfindung werden Lichtimpulse, kurz Lichtpulse 18a, emittiert und das reflektierte Licht 18b detektiert. 3 zeigt dabei schematisch den Aufbau eines Lasers 36, der zur Emission solcher Lichtpulse 18a ausgelegt ist. Der Laser 36 umfasst dabei ein aktives Medium 38, welches von zwei reflektierenden Elementen 40 des Lasers 36 umgeben ist. Diese beiden reflektierenden Elemente 40 stellen zusammen mit dem aktiven Medium 38 einen Resonator 42 bereit. Durch optisches/elektrisches Pumpen wird Licht erzeugt, welches bei gegebener Resonatorbedingung eine stehende Welle 44 zwischen den reflektierten Elementen 40 ausbildet (Resonator, englisch: „cavity“) und zur stimulierten Emission führt. Ein Teil des resonatorinternen Lichts 44 wird in Form eines Pulses 18a ausgekoppelt. Viele aufeinanderfolgende Pulse 18a bilden einen Pulszug 46. Insbesondere umfasst ein Pulszug 46 mindestens zwei Lichtpulse 18a. Der Resonator 42 weist darüber hinaus eine Resonatorlänge L auf. Diese Resonatorlänge L definiert den Abstand der beiden reflektierenden Elemente 40 zueinander. Weiterhin weist das aktive Medium 38 einen Brechungsindex n auf. Die Resonatorlänge L sowie der Brechungsindex n des aktiven Mediums 38 bestimmen dabei die Pulswiederholrate f_rep gemäß $${\text{f}}_{\text{rep}}=\text{c}/\left(2\text{nL}\right)$$

  

  c stellt dabei die Vakuumlichtgeschwindigkeit dar. Anhand dieser Gleichung wird ersichtlich, dass die Pulswiederholrate f_rep durch Veränderung der Resonatorlänge L sowie auch durch Änderung des Brechungsindex n geändert werden kann. Ein Pulszug 46, der beispielsweise in einem ersten Zeitintervall emittiert wird, kann somit mit einer spezifischen Pulswiederholrate f_rep emittiert werden. Durch Messung des Pulszuges 46, insbesondere mittels der Empfangseinheit 16, und Fourier-Transformation der zeitlichen Pulsfolge 46 in den Frequenzraum kann somit die Pulswiederholrate f_rep extrem präzise gemessen werden. Dies ist in 4 veranschaulicht.
• 4 zeigt in der linken Darstellung eine schematische Darstellung des Intensitätsverlaufs eines Pulszugs als Funktion der Zeit t. I bezeichnet hierbei die Intensität. Die Pulswiederholrate f_rep definiert einen zeitlichen Abstand T1 zwischen den einzelnen Lichtpulsen 18a gemäß T = 1/ f_rep. Der zeitliche Intensitätsverlauf des Pulszugs 46 mit den mehreren Lichtpulsen 18a, 18b insbesondere in diesem Beispiel sechs Lichtpulsen 18a, 18b ist in 4 im Übrigen mit 48a bezeichnet. Die zu den einzelnen Lichtpulsen 18a, 18b korrespondierenden Intensitätsmaxima sind in 4 im Übrigen ebenfalls mit 18a, 18b bezeichnet. Wird dieses Intensitätsspektrum nun Fouriertransformiert, so ergibt sich im Frequenzraum ein Frequenzkamm, welcher in 4 rechts dargestellt ist. Die Fourier-Transformation ist im Übrigen durch den Pfeil 50 veranschaulicht. Die einzelnen Lichtpulse 18a, 18b bestehen aus vielen verschiedenen optischen Frequenzen, welche unter der Einhüllenden 52a im Frequenzraum propagieren. Die zeitliche Pulsdauer τ gibt die zeitliche Halbwertsbreite an und definiert die Halbwertsbreite der Einhüllenden 52a. Die Fourier-Transformation des Pulszugs 46 in den Frequenzraum stellt, wie bereits erwähnt, einen Frequenzkamm dar. Die Einzelmoden 54a sind durch die Pulswiederholrate f1_rep voneinander separiert. Die spektralen Linienbreite der Einzelmoden 54a ist wiederum durch die Länge des Pulszugs 46 definiert. Dadurch ist ersichtlich, dass sich durch Fourier-Transformation 50 des zeitlichen Intensitätsverlaufs 48a eines Pulszugs 46 auf besonders einfache und genaue Weise die Pulswiederholrate f1_rep ermitteln lässt und damit der zeitliche Abstand T der einzelnen Lichtimpulse 18a, 18b.
• Dies erlaubt vorteilhafterweise eine eindeutige Identifikation der von der Sendeeinheit 14 emittierten Lichtpulse 18a auf Basis einer Modulation dieser Pulswiederholrate f1_rep beziehungsweise des zeitlichen Pulsabstands T1, da sich diese Pulswiderholrate f1_rep und der zeitliche Pulsabstand T1 auch in den erfassten Lichtpulsen 18b widerspeigelt, sofern diese die von der Sendeeinheit 14 ausgesandten und reflektierten Lichtpulse 18b darstellen. Wird also beispielsweise die Resonatorlänge L während eines zweiten Zeitintervalls, welches größer ist als das oben genannte erste Zeitintervall, verändert, so weist der in diesem zweiten Zeitintervall emittierte Pulszug 46 eine zweite andere Repetitionsrate f2_rep auf. Dies ist schematisch in 5 illustriert. 5 zeigt dabei wiederum auf der linken Seite eine schematische Darstellung des zeitlichen Intensitätsverlaufs 48b dieses zweiten Pulszugs 46, wobei auch hierbei wiederum die Intensitätsmaxima, die zu den einzelnen Lichtpulsen 18a, 18b korrespondieren, ebenfalls mit 18a, 18b bezeichnet sind. Aufgrund dieser zweiten anderen Repetitionsrate f2_rep weisen die einzelnen Lichtpulse 18a, 18b zueinander einen anderen zeitlichen Abstand T2 auf, der insbesondere größer ist als der zur 4 illustrierte erste zeitliche Abstand T1. Die Fourier-Transformierte dieses zeitlichen Intensitätsverlaufs 48b ergibt im Frequenzraum, der in 5 auf der rechten Seite dargestellt ist, wiederum einen Frequenzkamm mit den entsprechenden Einzelmoden 54b, die unter der Einhüllenden 52b propagieren. Diese Einzelmoden 54b sind nun in diesem Fall mit der zweiten Repetitionsrate f2_rep zueinander beabstandet. Die Fourier-Transformation ist in 5 wiederum durch den Pfeil 50 veranschaulicht. Somit können die beiden im jeweiligen ersten und zweiten Zeitintervall emittierten Pulszüge 46 anhand ihrer unterschiedlichen aus dem Frequenzspektrum extrahierbaren Repetitionsraten f1_rep, f2_rep voneinander unterschieden werden. Die Pulszüge 46 sind also durch ihre individuelle Repetitionsrate f1_rep, f2_rep kodiert. Die Auswerteeinrichtung 24 kann also dazu ausgelegt sein, die Intensitätssignale 48a, 48b, welche durch die Empfangseinheit 16 empfangen werden, zunächst einer Fourier-Transformation 50 zu unterziehen, um aus dem resultierenden Frequenzspektrum die Repetitionsrate f1_rep, f2_rep zu ermitteln beziehungsweise durch Inversion die entsprechenden zeitlichen Abstände T1, T2 der einzelnen Lichtpulse 18a, 18b. Dieser aus dem Frequenzspektrum ermittelte Repetitionsrate f1_rep, f2_rep beziehungsweise der korrespondierende zeitliche Abstand T1, T2 kann dann mit der entsprechenden Repetitionsrate f1_rep, f2_rep beziehungsweise dem zeitlichen Abstand T1, T2 der von der Sendeeinheit 14 emittierten Lichtpulse 18a verglichen werden. Kommt es hier zu einer Übereinstimmung, so können die von der Empfangseinheit 16 erfassten Lichtpulse 18b als die von der Sendeeinheit 14 emittierten und reflektierten Lichtpulse 18b identifiziert werden.
• Durch eine zufällige Folge von Pulswiederholraten f1_rep, f2_rep können somit Lidar-Systeme, wie die laserbasierte Erfassungseinrichtung 10, gegeneinander kodiert werden, so dass Interferenzeffekte zwischen den Systemen herausgefiltert werden können.
• Neben der einfachen Modulation aufeinanderfolgender Pulszüge 46 kann die Repetitionsrate f_rep innerhalb eines Pulszugs 46 variiert werden. 6 zeigt schematisch eine lineare Modulation 56 der Repetitionsrate f_rep als Funktion der Zeit t. Der aufgeprägte lineare Chirp der Pulswiederholrate f_rep kann durch kontinuierliches Durchstimmen der Resonatorlänge L erreicht werden und stellt ein einzigartiges Identifikationsmerkmal dar, da zum Beispiel die Steigung variiert werden kann.
• Alternativ zu der Durchstimmung der Pulswiederholrate f_rep in linearer Art kann eine spezielle Kodierung erfolgen. Hierbei bieten sich insbesondere Kodes an, die eine gute Korrelationseigenschaft auch bei eventuell auftretender Doppler-Verschiebung zeigen. Dies sind zum Beispiel Barkercodes, vorzugsweise ein Barkercode der Länge 13. Wie oben bereits erwähnt, führt eine Modulation des Brechungsindex n ebenfalls zu einer Veränderung der Pulswiederholrate f_rep. So kann zum Beispiel ein optisches Bauteil zur elektronischen Veränderung des Brechungsindex n in den Resonator 42 eingesetzt werden, welches f_rep moduliert. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Ausnutzung nicht linearer Effekte, wie zum Beispiel Kerr-Effekts. Bei hohen Intensitäten I muss der nicht lineare Anteil des Brechungsindex n₂ berücksichtigt werden, da $$\text{n}\left(\text{I}\right)=\text{n}+{\text{n}}_2\cdot \text{I}\text{,}$$

  

  gilt und der zweite Summand nur bei geringen Intensitäten I vernachlässigbar ist. Innerhalb von Laserresonatoren 42 treten jedoch extrem hohe Intensitäten I auf, so dass dieser Beitrag nicht vernachlässigbar ist. Der Parameter n₂ bietet daher vorteilhafterweise ebenfalls die Möglichkeit, die Repetitionsrate f_rep zu modulieren. Da die resonatorinterne Intensität von der Leistung von der Pumpe P des Lasersystems 36 abhängt, kann über Modulation der Pumpleistung P das Produkt n₂ · I moduliert werden und somit die Pulswiederholrate f_rep aktiv verändert werden.
• 7 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben einer laserbasierten laserbasierten Erfassungseinrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Verfahren beginnt dabei in Schritt S10, in welchem ein Modulationsschema 56 bereitgestellt wird. Anhand dieses bereitgestellten Schemas 56 kann nun entsprechend in Schritt S12 die Resonatorlänge L und/oder in Schritt S14 der Brechungsindex n moduliert werden. Als Ergebnis wird in Schritt S16 ein Pulszug 46 bereitgestellt mit Lichtpulsen 18a, welche entsprechend hinsichtlich ihres zeitlichen Abstands T1, T2 ihre Repetitionsrate f_rep moduliert sind. Dieser modulierte Pulszug 46 wird anschließend in Schritt S18 von der Sendeeinheit 14 emittiert und in Schritt S20 von einem Objekt 20 in der Umgebung 22, zum Beispiel des Kraftfahrzeugs 12, reflektiert. Weiterhin werden anschließend in Schritt S22 Lichtpulse von der Empfangseinheit 16 detektiert und in Schritt S24 von der Auswerteeinheit 24 ausgewertet. Im Zuge dieser Auswertung führt die Auswerteeinheit 24 in Schritt S24 eine Fourier-Transformation 50 des zeitlichen Intensitätsverlaufs 48a, 48b, welcher von der Empfangseinheit 16 detektiert wurde, durch und bestimmt in Schritt S26 anhand des Frequenzspektrums die Repetitionsrate f_rep des empfangenen Pulszugs. In nachfolgenden Schritt S28 wird eine Plausibilisierung durch die Auswerteeinheit 24 durchgeführt, bei welcher der in Schritt S16 bereitgestellte modulierte Pulszug 46 verwendet wird. Insbesondere wird hierbei die in Schritt S16 bereitgestellte modulierte Repetitionsrate f_rep verwendet, was in 7 durch den gestrichelten Pfeil veranschaulicht ist, und mit der aus Schritt S26 ermittelten Repetitionsrate f_rep in Schritt S28 verglichen. Stimmen diese überein, so sind die empfangenen Lichtpulse 18b als die von der Sendeeinheit 14 ausgesandten Lichtpulse 18a identifiziert und werden in Schritt S30 weiter verarbeitet. Andernfalls, das heißt stimmen die Repetitionsraten f_rep nicht überein, so werden die Daten verworfen, da es sich dann um detektierte Lichtpulse handelt, die von einem anderen System emittiert wurden. Diese tragen dann entsprechend nicht zur Umfelderfassung bei. Somit kann vorteilhafterweise die Detektion von Geisterzielen 32 vermieden werden.
• Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Verfahren zur Kanalkodierung von Lidar-Systemen zur Interferenzunterdrückung bereitgestellt werden kann, durch welche eine störunanfällige und störresistente Abstandsmessung durch ein Lidar-System ermöglicht wird, bei welchem Störsignale durch Emitter gleicher Wellenlänge unterdrückt werden können.
• Bezugszeichenliste

10

Laserbasierte Erfassungseinrichtung

12

Kraftfahrzeug

14

Sendeeinheit

16

Empfangseinheit

18a

ausgesandte Lichtpulse

18b

reflektierte Lichtpulse

20

Objekt

22

Umgebung

24

Auswerteeinheit

26

Punktewolke

28

Kraftfahrzeuge

30

Fahrbahnbegrenzungen

32

Geisterziele

34

Pfeil

36

Laserlichtquelle

38

aktives Medium

40

reflektierendes Element

42

Resonator

44

stehende Welle

46

Pulszug

48a

Intensitätsverlauf

48b

Intensitätsverlauf

50

Fourier-Transformation

52a

Einhüllende

52b

Einhüllende

54a

Einzelmoden

54b

Einzelmoden

56

Modulationsschema

f

Frequenz

frep

Pulswiderholrate

f1rep

Pulswiderholrate

f2rep

Pulswiderholrate

I

Intensität

L

Resonatorlänge

T

Zeit

τ

Pulsbreite

T

zeitlicher Abstand

T1

zeitlicher Abstand

T2

zeitlicher Abstand

X

Position des Testfahrzeugs

S10

Schritt

S12

Schritt

S14

Schritt

S16

Schritt

S18

Schritt

S20

Schritt

S20

Schritt

S24

Schritt

S26

Schritt

S28

Schritt

S30

Schritt

Claims (10)

1. Erfassungseinrichtung (10) zur Umfelderfassung, wobei die Erfassungseinrichtung (10) eine Sendeeinheit (14) mit einer Laserlichtquelle (36) aufweist, die dazu ausgelegt ist, einen Pulszug (46) mit mehreren ersten Lichtpulsen (18a), die einen vorbestimmten zeitlichen Abstand (T, T1, T2) zueinander aufweisen, auszusenden, und eine Empfangseinheit (16), die dazu ausgelegt ist, zweite Lichtpulse (18b) zu erfassen, wobei die Sendeeinheit (14) dazu ausgelegt ist, den vorbestimmten zeitlichen Abstand (T, T1, T2) während des Aussendens des Pulszuges (46) in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Modulationsschema (56) zu variieren, wobei die Erfassungseinrichtung (10) eine Auswerteeinheit (24) aufweist, die dazu ausgelegt ist, die von der Empfangseinheit (16) erfassten zweiten Lichtpulse (18b) in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Modulationsschema (56) auszuwerten, dadurch gekennzeichnet, dass - das Modulationsschema (56) so ausgestaltet ist, dass der zeitliche Abstand (T, T1, T2) zufällig gemäß erzeugter Zufallszahlen oder auf der Basis eines Barkercodes variiert wird; und - die Auswerteeinheit (24) dazu ausgelegt ist, zum Auswerten der zweiten Lichtpulse (18b), einen erfassten zeitlichen Intensitätsverlauf (48a, 48b) der erfassten zweiten Lichtpulse (18b) mittels Fourier-Transformation (50) in einen Frequenzraum zu transformieren, und in Abhängigkeit von einem Ergebnis (54a, 54b) der Fourier-Transformation (50), welches einen Frequenzkamm mit mehreren einen Frequenzabstand zueinander aufweisenden Frequenzen (54a, 54b) darstellt, den Frequenzabstand (f_rep, f1_rep, f2_rep) zu bestimmen und in Abhängigkeit vom Frequenzabstand (f_rep, f1_rep, f2_rep) die jeweiligen zeitlichen Abstände (T, T1, T2) der zweiten Pulse (18b) zu bestimmen.
2. Erfassungseinrichtung (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (24) dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Modulationsschema (56) zu überprüfen, ob die erfassten zweiten Lichtpulse (18b) und/oder welche der erfassten zweiten Lichtpulse (18b) zumindest einen Teil zumindest mancher der von der Sendeeinheit (14) ausgesandten und an einem Objekt (20) in der Umgebung reflektierten ersten Lichtpulse (18a) darstellen.
3. Erfassungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (36) zur Erzeugung des Pulszugs (46) einen Resonator (42) aufweist, welcher einen optischen Pfad mit einer optischen Weglänge bereitstellt, wobei die Sendeeinheit (14) dazu ausgelegt ist, um den vorbestimmten zeitlichen Abstand (T, T1, T2) während des Aussendens des Pulszuges (46) zu variieren, die optische Weglänge zeitlich zu variieren.
4. Erfassungseinrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit (14) dazu ausgelegt ist, um die optische Weglänge zeitlich zu variieren, eine Resonatorlänge (L) des Resonators (42) mechanisch zeitlich zu variieren.
5. Erfassungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (42) ein aktives Medium (38) mit einer optischen Dichte aufweist, wobei die Sendeeinheit (14) dazu ausgelegt ist, um die optische Weglänge zeitlich zu variieren, die optische Dichte des aktiven Mediums (38) zeitlich zu variieren.
6. Erfassungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit (14) dazu ausgelegt ist, um den vorbestimmten zeitlichen Abstand (T, T1, T2) während des Aussendens des Pulszuges (46) zu variieren, eine Sendeleistung der Erfassungseinrichtung (10) zu variieren.
7. Erfassungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsschema (56) so ausgestaltet ist, dass der zeitliche Abstand (T, T1, T2) auf der Basis des Barkercodes mit der Länge 13 variiert wird.
8. Erfassungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (10) als LiDAR-System (10) ausgebildet ist.
9. Kraftfahrzeug (12) mit einer Erfassungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. Verfahren zum Betreiben einer Erfassungseinrichtung (10) zur Umfelderfassung, wobei die Erfassungseinrichtung (10) eine Sendeeinheit (14) mit einer Laserlichtquelle (36) aufweist, die einen Pulszug (46) mit mehreren ersten Lichtpulsen (18a), die einen vorbestimmten zeitlichen Abstand (T, T1, T2) zueinander aufweisen, aussendet, und eine Empfangseinheit (16), die dazu ausgelegt ist, zweite Lichtpulse (18b) zu erfassen, wobei die Sendeeinheit (14) den vorbestimmten zeitlichen Abstand (T, T1, T2) während des Aussendens des Pulszuges (46) in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Modulationsschema (56) variiert, wobei die Erfassungseinrichtung (10) eine Auswerteeinheit (24) aufweist, die die von der Empfangseinheit (16) erfassten zweiten Lichtpulse (18b) in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Modulationsschema (56) auswertet, dadurch gekennzeichnet, dass - das Modulationsschema (56) so ausgestaltet ist, dass der zeitliche Abstand (T, T1, T2) zufällig gemäß erzeugter Zufallszahlen oder auf der Basis eines Barkercodes variiert wird; und - die Auswerteeinheit (24) zum Auswerten der zweiten Lichtpulse (18b) einen erfassten zeitlichen Intensitätsverlauf (48a, 48b) der erfassten zweiten Lichtpulse (18b) mittels Fourier-Transformation (50) in einen Frequenzraum transformiert, und in Abhängigkeit von einem Ergebnis (54a, 54b) der Fourier-Transformation (50), welches einen Frequenzkamm mit mehreren einen Frequenzabstand zueinander aufweisenden Frequenzen (54a, 54b) darstellt, den Frequenzabstand (f_rep, f1_rep, f2_rep) bestimmt und in Abhängigkeit vom Frequenzabstand (f_rep, f1_rep, f2_rep) die jeweiligen zeitlichen Abstände (T, T1, T2) der zweiten Pulse (18b) bestimmt.

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