DE102020215040A1 - LiDAR sensor system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-Sensorsystem (1) aufweisend eine Sendeeinheit (3) mit einer Laserquelle (2), einem Phasenmodulator (7) zum Modulieren einer Phase des Lichts der Laserquelle (2) und einer Sendeoptik (5) zum Aussenden des von dem Phasenmodulator (7) modulierten Lichts in eine Umgebung (10) des LiDAR-Sensorsystems (1), eine Empfangseinheit (4) mit einer Empfangsoptik (6) zum Empfangen von an einem Objekt (11) der Umgebung (10) reflektierten Licht und mit einer Auswerteeinheit (8) zum Auswerten des von der Empfangsoptik (6) empfangen Lichts, wobei die Sendeeinheit (3) ausgebildet ist, mehrere Sendesequenzen (100) des Lichts auszusenden, wobei jede Sendesequenz (100) ein durch den Phasenmodulator (7) phasenmoduliertes Signal ist, und wobei die Auswerteeinheit (8) ausgebildet ist, einen Einfluss des phasenmodulierten Signals auf ein empfangenes Lichtsignal durch Potenzierung des empfangenen Lichtsignals zu entfernen um somit aus dem empfangen Lichtsignal eine Dopplerfrequenz (fD) zu ermitteln und anhand der Dopplerfrequenz (fD) und des empfangenen Lichtsignals eine Entfernung zu dem Objekt (11) zu bestimmen.The present invention relates to a LiDAR sensor system (1) having a transmission unit (3) with a laser source (2), a phase modulator (7) for modulating a phase of the light from the laser source (2) and transmission optics (5) for emitting the the phase modulator (7) modulated light in an environment (10) of the LiDAR sensor system (1), a receiving unit (4) with receiving optics (6) for receiving light reflected on an object (11) of the environment (10) and with an evaluation unit (8) for evaluating the light received by the receiving optics (6), the transmission unit (3) being designed to emit a plurality of transmission sequences (100) of the light, each transmission sequence (100) having a signal phase-modulated by the phase modulator (7). is, and wherein the evaluation unit (8) is designed to remove an influence of the phase-modulated signal on a received light signal by exponentiation of the received light signal in order to thus from the received light signal a Dop pler frequency (fD) to determine and based on the Doppler frequency (fD) and the received light signal to determine a distance to the object (11).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-Sensorsystem. Das LiDAR-Sensorsystem ist insbesondere in einem Fahrzeug verwendbar. Das LiDAR-Sensorsystem ermöglicht eine zuverlässige Dopplerkompensation.The present invention relates to a LiDAR sensor system. The LiDAR sensor system can be used in particular in a vehicle. The LiDAR sensor system enables reliable Doppler compensation.
Aus dem Stand der Technik sind LiDAR-Sensorsysteme bekannt. Diese arbeiten zumeist nach dem „direct detection“-Prinzip, bei dem eine Intensität eines zurückreflektierten Lichts detektiert wird, um auf ein Objekt in der Umgebung zu schließen. Außerdem sind LiDAR-Systeme bekannt, die kohärente Empfänger aufweisen. Solche Systeme senden frequenzmodulierte Signale aus, um einerseits einen Abstand zu dem detektierten Objekt, andererseits eine Geschwindigkeit des detektierten Objekts erfassen zu können. Das zugrundeliegende Verfahren „frequency modulated continuous wave (FMCW)“ ist bereits aus der Radartechnik bekannt. Alternativ zur Frequenzmodulation lassen sich auch Phasencodes einsetzen, bei denen die Phase des ausgesandten Lichts moduliert wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Das erfindungsgemäße LiDAR-System ermöglicht eine zuverlässige Dopplerkompensation bei phasenmodulierten Lichtsignalen. Somit ist insbesondere ermöglicht, die bei dem LiDAR-Messprinzip möglichen großen Frequenzverschiebungen durch den Dopplereffekt zu kompensieren, um weiterhin eine Korrelation zwischen ausgesandtem Signal und empfangenem Signal zu ermöglichen, was wiederum eine Bestimmung der Lichtlaufzeit und damit der Entfernung zwischen LiDAR-System und detektiertem Objekt ermöglicht. Der Aufbau des erfindungsgemäßen LiDAR-Sensorsystems bleibt dabei schlank, insbesondere lässt sich eine Geschwindigkeitsschätzung mit geringem Hardware-Aufwand durchführen. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von Phasencodes eine verbesserte Parallelisierbarkeit des LiDAR-Sensorsystems, die Möglichkeit mehrere Ziele zu detektieren sowie eine zuverlässige und eindeutige Entfernungsschätzung durchzuführen.The LiDAR system according to the invention enables reliable Doppler compensation for phase-modulated light signals. This makes it possible, in particular, to compensate for the large frequency shifts that are possible with the LiDAR measurement principle due to the Doppler effect, in order to continue to enable a correlation between the transmitted signal and the received signal, which in turn enables the light propagation time and thus the distance between the LiDAR system and the detected object to be determined allows. The structure of the LiDAR sensor system according to the invention remains slim, in particular a speed estimation can be carried out with little hardware effort. In addition, the use of phase codes enables improved parallelizability of the LiDAR sensor system, the possibility of detecting multiple targets and performing a reliable and unambiguous distance estimation.
Das LiDAR-Sensorsystem weist eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit auf. Die Sendeeinheit wiederum weist eine Laserquelle, einen Phasenmodulator und eine Sendeoptik auf. Der Phasenmodulator dient zum Modulieren einer Phase des Lichts der Laserquelle. Die Sendeoptik dient zum Aussenden des von dem Phasenmodulator modulierten Lichts in eine Umgebung des LiDAR-Sensorsystems. Das von der Sendeeinheit in die Umgebung ausgesandte Licht weist somit einen Phasencode auf, der durch den Phasenmodulator eingebracht wird.The LiDAR sensor system has a transmission unit and a reception unit. The transmission unit in turn has a laser source, a phase modulator and transmission optics. The phase modulator serves to modulate a phase of the light from the laser source. The transmission optics are used to emit the light modulated by the phase modulator into an area surrounding the LiDAR sensor system. The light emitted by the transmitter unit into the environment thus has a phase code that is introduced by the phase modulator.
Die Empfangseinheit weist eine Empfangsoptik und eine Auswerteeinheit auf. Die Empfangsoptik dient zum Empfangen von Licht aus der Umgebung. Insbesondere lässt sich somit reflektiertes Licht empfangen, das von der Sendeeinheit ausgesandt und an einem Objekt in der Umgebung reflektiert wurde. Die Auswerteeinheit dient zum Auswerten des von der Empfangsoptik empfangenen Lichts, wobei das empfangene Licht insbesondere ein Lichtsignal darstellt.The receiving unit has receiving optics and an evaluation unit. The receiving optics are used to receive light from the environment. In particular, it is thus possible to receive reflected light that was emitted by the transmission unit and reflected on an object in the vicinity. The evaluation unit is used to evaluate the light received by the receiving optics, with the received light representing in particular a light signal.
Die Sendeeinheit ist bevorzugt weiterhin ausgebildet, mehrere Sendesequenzen des Lichts auszusenden. Jede Sendesequenz ist ein durch den Phasenmodulator phasenmoduliertes Signal und weist daher besagten Phasencode auf.The transmission unit is preferably also designed to emit a plurality of transmission sequences of the light. Each transmission sequence is a signal phase-modulated by the phase modulator and therefore has said phase code.
Wird eine Sendesequenz von der Sendeeinheit ausgesandt und an ein Objekt in der Umgebung reflektiert, so kann diese Reflexion von der Empfangseinheit empfangen und dadurch von der Auswerteeinheit ausgewertet werden. Die Auswerteeinheit ist ausgebildet, einen Einfluss des phasenmodulierten Signals auf das empfangene Lichtsignal durch Potenzierung des empfangenen Lichtsignals zu minimieren. Die Potenzierung ist beispielsweise eine Quadrierung des empfangenen Lichtsignals. Insbesondere lässt sich für jede Art des verwendeten Phasencodes der Sendesequenz eine optimale Potenzierung ermitteln, die dazu führt, dass ein Einfluss dieses Phasencodes auf das Lichtsignal minimiert ist, insbesondere verschwindet.If a transmission sequence is sent out by the transmission unit and reflected on an object in the vicinity, then this reflection can be received by the reception unit and thus evaluated by the evaluation unit. The evaluation unit is designed to minimize an influence of the phase-modulated signal on the received light signal by increasing the power of the received light signal. The exponentiation is, for example, a squaring of the received light signal. In particular, an optimal exponentiation can be determined for each type of phase code used in the transmission sequence, which results in the influence of this phase code on the light signal being minimized, in particular disappearing.
Wie eingangs bereits beschrieben, ist das empfangene Lichtsignal zum einen zeitverschoben, wobei sich in der Zeitverschiebung die Entfernung zu dem das Licht reflektierenden Objekts wiederspiegelt, und außerdem aufgrund des Dopplereffekts frequenzverschoben. Eine FFT-Analyse des empfangenen Signals würde aufgrund des Spektrums des Phasencodes zu einer schwer oder gar nicht zu detektierenden Dopplerfrequenz führen.As already described above, the received light signal is time-shifted, with the distance to the object reflecting the light being reflected in the time shift, and also frequency-shifted due to the Doppler effect. An FFT analysis of the received signal would lead to a difficult or impossible to detect Doppler frequency due to the spectrum of the phase code.
Die Auswerteeinheit ist somit durch das Potenzieren des empfangenen Signals und den dadurch bedingten Wegfall des Einflusses des Phasencodes auf das empfangene Signal ausgebildet, die Dopplerfrequenz zu ermitteln. Sobald die Dopplerfrequenz bekannt ist, ist es der Auswerteeinheit einfach und aufwandsarm ermöglicht, anhand dieser Dopplerfrequenz eine Dopplerkompensation vorzunehmen und somit anhand der Dopplerfrequenz und des empfangenen Lichtsignals eine Zeitverschiebung und damit eine Entfernung zu dem Objekt zu bestimmen.The evaluation unit is thus designed to determine the Doppler frequency by raising the received signal to a higher power and thereby eliminating the influence of the phase code on the received signal. As soon as the Doppler frequency is known, it is possible for the evaluation unit to carry out Doppler compensation easily and with little effort, and thus to determine a time shift and thus a distance to the object based on the Doppler frequency and the received light signal.
Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.The dependent claims relate to preferred developments of the invention.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit ein einfacher Demodulator ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Auswerteeinheit ein komplexer Demodulator. Bereits die Verwendung eines einfachen Demodulators ermöglicht eine zuverlässige Entfernungsschätzung sowie zumindest eine betragsmäßige Geschwindigkeitsschätzung des detektierten Objekts in der Umgebung. Wird ein komplexer Demodulator verwendet, so ist auch eine vorzeichenrichtige Schätzung der Geschwindigkeit des Objekts ermöglicht.Provision is preferably made for the evaluation unit to be a simple demodulator. Alternatively or additionally, the evaluation unit is a complex demodulator. Even the use of a simple demodulator enables a reliable distance estimation and at least an absolute estimation of the speed of the detected object in the area. If a complex demodulator is used, it is also possible to estimate the speed of the object with the correct sign.
Die Auswerteeinheit weist besonders vorteilhaft einen Photodetektor sowie eine Auswertelogik auf. Die Auswertelogik umfasst insbesondere einen Analog-Digital-Umsetzer und einen digitalen Signalprozessor.The evaluation unit particularly advantageously has a photodetector and evaluation logic. The evaluation logic includes, in particular, an analog/digital converter and a digital signal processor.
Jede Sendesequenz ist bevorzugt ein eindeutiger Code. Der eindeutige Code besitzt eine eindeutige Autokorrelationsfunktion. Auf diese Weise lässt sich anhand der Kreuzkorrelation jedes empfangenen Lichtsignals mit der ursprünglich ausgesandten Sendesequenz eine Zeitverschiebung der Sendesequenz erkennen. Anhand dieser Zeitverschiebung wiederum lässt sich die Entfernung zu dem Objekt in der Umgebung ermitteln, an dem die Sendesequenz reflektiert wurde. Durch die zuvor beschriebene Dopplerkompensation lässt sich die Zeitverschiebung der Sendesequenz einfach und aufwandsarm ermitteln. Die für die Dopplerkompensation vorgesehene Potenzierung des Signals ist dabei insbesondere abhängig von der Wertigkeit des Phasencodes. Wird beispielsweise ein Phasencode mit der Wertigkeit 2 verwendet, so ist das Potenzieren vorteilhafterweise ein Quadrieren.Each transmission sequence is preferably a unique code. The unique code has a unique autocorrelation function. In this way, a time shift in the transmission sequence can be identified on the basis of the cross-correlation of each received light signal with the transmission sequence originally transmitted. This time shift can in turn be used to determine the distance to the object in the area from which the transmission sequence was reflected. The time shift of the transmission sequence can be determined easily and with little effort using the Doppler compensation described above. The exponentiation of the signal provided for the Doppler compensation is particularly dependent on the significance of the phase code. If, for example, a phase code with a value of 2 is used, the exponentiation is advantageously a squaring.
Bei den Codes handelt es sich besonders vorteilhaft um Biphasen-Codes, insbesondere um Baker-Codes oder um Maximal-Folgen, auch maximum length sequence (MLS) genannt, oder um Gold-Codes oder um Kasami-Codes, oder um Polyphasen-Codes. Alle diese Codes weisen eine eindeutige Autokorrelationsfunktion auf. Somit eignen sich besagte Codes vorteilhaft für die Verwendung als Sendesequenz.The codes are particularly advantageously biphase codes, in particular Baker codes or maximum sequences, also known as maximum length sequences (MLS), or Gold codes or Kasami codes, or polyphase codes. All of these codes have a unique autocorrelation function. Said codes are therefore advantageously suitable for use as a transmission sequence.
Weiterhin ist besonders vorteilhaft vorgesehen, dass der Code eine Dauer zwischen 3 µs und 20 µs aufweist. Auf diese Weise ist insbesondere eine zuverlässige Dopplerschätzung bei geringer Messdauer ermöglicht. Die Frequenzauflösung der Dopplerschätzung ist abhängig von der Sendedauer des Codes und kann mit den angegebenen Werten in einem optimalen Bereich gebracht werden. Dies ermöglicht eine genaue und zuverlässige Messung mit dem LiDAR-Sensorsystem.Furthermore, it is particularly advantageously provided that the code has a duration of between 3 μs and 20 μs. In this way, in particular, a reliable Doppler estimation is made possible with a short measurement duration. The frequency resolution of the Doppler estimation depends on the transmission time of the code and can be brought within an optimal range with the specified values. This enables an accurate and reliable measurement with the LiDAR sensor system.
Die Auswerteeinheit ist vorteilhafterweise zum Potenzieren des empfangenen Lichtsignals mit demjenigen Faktor ausgebildet, der eine Anzahl von Phasenzuständen des Codes entspricht. Die Anzahl von Phasenzuständen des Codes, der zur Phasenmodulation verwendet wurde, wird auch als Wertigkeit des Codes angesehen. Somit wird bei höherwertigen Codes eine höherwertigere Potenzierung durchgeführt. Auf diese Weise ist eine große Flexibilität bei der Verwendung der Phasencodes des Phasenmodulators gegeben, wobei weiterhin gewährleistet ist, dass eine Bestimmung der Dopplerfrequenz einfach und zuverlässig erfolgen kann. Somit ist die Dopplerkompensation ermöglicht, ohne eine weitgehende Einschränkung der zu verwendenden Phasencodes vornehmen zu müssen.The evaluation unit is advantageously designed to raise the received light signal to a power by that factor which corresponds to a number of phase states of the code. The number of phase states of the code used for phase modulation is also considered the weight of the code. Thus, in the case of higher-order codes, a higher-order exponentiation is carried out. In this way, there is great flexibility when using the phase codes of the phase modulator, it also being ensured that the Doppler frequency can be determined simply and reliably. Thus, the Doppler compensation is made possible without having to restrict the phase codes to be used to a large extent.
Die Sendeeinheit ist vorteilhafterweise zum Aussenden zweier Sendesequenzen mit gleichem Code, aber mit einem Phasenversatz von 90°, ausgebildet. Die Sendeeinheit ist dabei insbesondere ausgebildet, die beiden Sendesequenzen unmittelbar aufeinander folgend auszusenden oder die beiden Sendesequenzen verschachtelt auszusenden. Die Empfangseinheit, insbesondere die Auswerteeinheit, ist in diesem Fall ausgebildet, die beiden Sendesequenzen bei Empfang des reflektierten Lichts wiederum zu trennen, um diese getrennt voneinander zu verarbeiten. Aufgrund des Phasenversatzes von 90° lässt sich somit eine IQ-Demodulation durchführen, wobei als notwendige Hardware lediglich ein reeller Demodulator bereitgestellt werden muss. Die IQ-Demodulation erfolgt somit sequentiell mit den entsprechend empfangenen Sendesequenzen. Dies ermöglicht die Bereitstellung der Funktionalität eines komplexen Demodulators, d.h., insbesondere die vorzeichenrichtige Dopplerschätzung und damit die vorzeichenrichtige Geschwindigkeitsschätzung des Objekts in der Umgebung, ohne dass die tatsächliche Hardware für einen komplexen Demodulator bereitgestellt werden muss. Dadurch sind die Kosten für die Herstellung und Montage des LiDAR-Sensorsystems verringert.The transmission unit is advantageously designed to transmit two transmission sequences with the same code but with a phase offset of 90°. In this case, the transmission unit is designed in particular to transmit the two transmission sequences directly one after the other or to transmit the two transmission sequences in an interleaved manner. In this case, the receiving unit, in particular the evaluation unit, is designed to separate the two transmission sequences again when the reflected light is received, in order to process them separately from one another. Due to the phase shift of 90°, an IQ demodulation can be carried out, with only a real demodulator having to be provided as the necessary hardware. The IQ demodulation thus takes place sequentially with the correspondingly received transmission sequences. This enables the provision of the functionality of a complex demodulator, ie, esp performs the signed Doppler estimation and thus the signed velocity estimation of the object in the environment without having to provide the actual hardware for a complex demodulator. This reduces the cost of manufacturing and assembling the LiDAR sensor system.
Die Sendeeinheit weist bevorzugt mehrere parallele Phasenmodulatoren auf, um mehrere Sendesequenzen parallel auszusenden. Insbesondere ist für jeden Phasenmodulator eine eigene Sendeoptik vorgesehen. Die parallel ausgesandten Sendesequenzen sind durch die jeweiligen Phasenmodulatoren bevorzugt orthogonal zueinander codiert. Somit ist eine Unterscheidung jeder parallel ausgesandten Sendesequenz zu den entsprechend anderen parallel ausgesandten Sendesequenzen ermöglicht. Somit ist ein paralleles LiDAR-Sensorsystem erreicht. Dazu ist vorteilhafterweise entweder eine einzelne Empfangsoptik sowie eine einzelne Auswerteeinheit vorgesehen, wobei alternativ eine Mehrzahl von Empfangsoptiken und Auswerteeinheiten vorhanden sind, um somit eine Parallelisierung auch bei der Empfangseinheit vorzusehen.The transmission unit preferably has a number of parallel phase modulators in order to send out a number of transmission sequences in parallel. In particular, separate transmission optics are provided for each phase modulator. The transmission sequences transmitted in parallel are preferably coded orthogonally to one another by the respective phase modulators. It is thus possible to differentiate between each transmission sequence transmitted in parallel and the corresponding other transmission sequences transmitted in parallel. A parallel LiDAR sensor system is thus achieved. For this purpose, either a single receiving optics and a single evaluation unit is advantageously provided, with alternatively a plurality of receiving optics and evaluation units being present in order to thus also provide parallelization in the receiving unit.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug. Das Fahrzeug weist ein LiDAR-Sensorsystem wie zuvor beschrieben auf. Somit ist eine sichere und zuverlässige Detektion von Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs sichergestellt, wobei die Kosten für das Fahrzeug aufgrund des zuvor beschriebenen Aufbaues des LiDAR-Sensorsystems minimiert sind.The invention also relates to a vehicle. The vehicle has a LiDAR sensor system as previously described. This ensures safe and reliable detection of objects in the area surrounding the vehicle, with the costs for the vehicle being minimized due to the structure of the LiDAR sensor system described above.
Figurenlistecharacter list
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
-
1 eine schematische Abbildung eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
2 eine schematische Ansicht einer ersten Alternative des LiDAR-Sensorsystems des Fahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
3 eine schematische Ansicht einer zweiten Alternative des LiDAR-Sensorsystems des Fahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
4 eine schematische Abbildung der Phasencodes zweier sequentiell ausgesandten Sendesequenzen mit 90° Phasenversatz, -
5 eine schematische Abbildung der Phasencodes zweier verschachtelt ausgesandten Sendesequenzen mit 90° Phasenversatz, -
6 eine schematische Ansicht einer dritten Alternative des LiDAR-Sensorsystems des Fahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und -
7 eine schematische Ansicht eines Signalverarbeitungsplans zur Dopplerschätzung bei Verwendung des LiDAR-Sensorsystems gemäß der dritten Alternative.
-
1 a schematic illustration of a vehicle according to an embodiment of the invention, -
2 a schematic view of a first alternative of the LiDAR sensor system of the vehicle according to the embodiment of the invention, -
3 a schematic view of a second alternative of the LiDAR sensor system of the vehicle according to the embodiment of the invention, -
4 a schematic representation of the phase codes of two sequentially transmitted transmission sequences with a 90° phase offset, -
5 a schematic representation of the phase codes of two interleaved transmitted transmission sequences with a 90° phase offset, -
6 a schematic view of a third alternative of the LiDAR sensor system of the vehicle according to the embodiment of the invention, and -
7 a schematic view of a signal processing plan for Doppler estimation when using the LiDAR sensor system according to the third alternative.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Das LiDAR-Sensorsystem 1 weist eine Sendeeinheit 3 sowie eine Empfangseinheit 4 auf. Die Sendeeinheit 3 dient zum Aussenden eines Lichtsignals, das von dem Objekt 11 reflektiert wird, so dass dieses reflektierte Signal von der Empfangseinheit 4 empfangbar ist. Anhand einer Zeitverschiebung zwischen dem ausgesandten Signal und dem empfangenen Signal lässt sich auf die Lichtlaufzeit und damit auf die Entfernung zwischen LiDAR-Sensorsystem 1 und Objekt 11 rückschließen. Der auftretende Dopplereffekt ermöglicht außerdem eine Abschätzung der Geschwindigkeit, mit der sich das Objekt 11 bewegt.The
Im Grundsatz ist vorgesehen, dass das LiDAR-Sensorsystem 1 nach kohärenten Phasencode-Ansätzen arbeitet, so dass ein ausgesandtes Laserlicht in seiner Phase variiert wird. Eine erste Alternative der Umsetzung eines solchen LiDAR-Sensorsystems 1 ist in
Um ein Lichtsignal mittels der Sendeeinheit 3 auszusenden, ist zunächst vorgesehen, dass mittels der Laserquelle 2 Laserlicht ausgesandt wird. Dieses Licht wird von einem Splitter 12 sowohl zu der Empfangseinheit 4 als auch zu dem Phasenmodulator 7 geleitet. Der Phasenmodulator 7 dient zum Modulieren der Phase des Lichts der Laserquelle 2, um somit einen Phasencode zu generieren. Anschließend wird das derartig modulierte Licht von der Sendeoptik 5 in die Umgebung 10 ausgesandt.In order to emit a light signal by means of the
Das ausgesandte Licht wird von einem Objekt 11 in der Umgebung 10 reflektiert und gelangt somit zur Empfangsoptik 6 der Empfangseinheit 4. Von dort gelangt das empfangene Lichtsignal zu einem Koppler 13, der das über dem Splitter 12 abgezweigte Licht der Laserquelle 2 einkoppelt. Über die Auswerteeinheit 8 kann schließlich eine Auswertung des empfangenen Signals erfolgen. Die Auswerteeinheit 8 weist einen Photodetektor 8a und eine Auswertelogik mit einem Analog-Digital-Umsetzer 8b und einem Digitalsignalprozessor 8c auf. The emitted light is reflected by an
Zum Auswerten des empfangenen Lichtsignals erfolgt eine Korrelation des empfangenen Lichtsignals mit dem Phasencode, der von dem Phasenmodulator 7 aufgebracht wurde. Dazu ist vorgesehen, dass der Phasencode, der von dem Phasenmodulator 7 aufgebracht wurde, eine eindeutige Autokorrelationsfunktion aufweist. Beispielsweise handelt es sich bei dem aufgebrachten Phasencode um einen Biphasen-Code, insbesondere einen Baker-Code oder um Maximalfolgen oder um Gold-Codes oder um Kasami-Codes. Alternativ sind Polyphasen-Codes anwendbar. Anhand der Korrelation kann somit eine Zeitverschiebung des empfangenen Lichtsignals bezüglich des ausgesandten Lichtsignals ermittelt werden. Diese Zeitverschiebung ist charakteristisch für die Lichtlaufzeit zwischen dem LiDAR-Sensorsystem 1 und dem Objekt 11. Somit kann anhand der Zeitverschiebung eine Entfernung d zwischen LiDAR-Sensorsystem 1 und dem Objekt 11 ermittelt werden.To evaluate the received light signal, the received light signal is correlated with the phase code that was applied by the phase modulator 7 . For this purpose, it is provided that the phase code applied by the phase modulator 7 has a unique autocorrelation function. For example, the applied phase code is a biphase code, in particular a Baker code or maximum sequences or Gold codes or Kasami codes. Alternatively, polyphase codes can be used. A time shift of the received light signal with respect to the emitted light signal can thus be determined on the basis of the correlation. This time shift is characteristic of the light propagation time between the
Das empfangene Lichtsignal ist allerdings nicht nur zeitverschoben, sondern in seiner Frequenz auch Dopplerverschoben. Die Auswerteeinheit 8 ist daher ausgebildet, zunächst eine Dopplerschätzung vorzunehmen, um anschließend eine Dopplerkompensation zu erreichen. Hierzu ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit 8 ausgebildet ist, den Einfluss des durch den Phasenmodulator 7 aufgebrachten Phasencodes zu minimieren, indem das empfangene Signal potenziert wird. Die Potenzierung erfolgt dabei in Abhängigkeit von dem verwendeten Phasencode des Phasenmodulators 7. Beispielsweise wird bei einem Biphasen-Code, d.h., bei einem Code mit der Wertigkeit 2, bei dem zwei verschiedene Phasenzustände auftreten können, das empfangene Signal quadriert. Bei höherwertigeren Codes erfolgt eine höhere Potenzierung, so dass bei einem n-wertigem Code eine Potenzierung um n erfolgt. Durch die Potenzierung wird der Einfluss des Phasencodes auf das empfangene Signal minimiert, wodurch eine zuverlässige Dopplerschätzung durchgeführt werden kann. Damit ist eine Dopplerkompensation möglich, wodurch im Anschluss die Zeitverschiebung des empfangenen Signals zu ermitteln ist. Die Auswerteeinheit ist daher ausgebildet, nach der Dopplerkompensation die Zeitverschiebung und damit den Abstand d des Objekts vom LiDAR-Sensorsystem 1 zu ermitteln. Anhand der Dopplerfrequenz lässt sich zumindest betragsmäßig auch die Bewegungsgeschwindigkeit v des Objekts 11 in der Umgebung 10 ermitteln.However, the received light signal is not only time-shifted, but also Doppler-shifted in its frequency. The
Bei der Verwendung des LiDAR-Sensorsystems 1 wie in
- k:
- Digitale Laufvariable k ∈ ℕ0
- Ts
- Abtastintervall; entspricht invertiert der Abtastzeit: fs = 1/Ts
- Ä:
- Signalamplitude, beinhaltet Dämpfung über Signalpfad, Verstärkung im Mischprozess und durch Verstärker, etc.
- ωD:
- Kreisfrequenz der Doppler-Frequenz:
- ω0τ:
- Phasenverschiebung resultierend aus Time of Flight bezogen auf Kreisträgerfrequenz
- n(k):
- Zusammengefasstes diskretisiertes Rauschen (Schrotrauschen, thermisches Rauschen, Phasenrauschen)
- φ(kTs- τ):
- Zeitverschobene Codesequenz
- c:
- Digital running variable k ∈ ℕ0
- ts
- sampling interval; corresponds inverted to the sampling time: fs = 1/Ts
- Ä:
- Signal amplitude, includes attenuation over the signal path, amplification in the mixing process and through amplifiers, etc.
- ωD:
- Angular frequency of the Doppler frequency:
- ω0τ:
- Phase shift resulting from time of flight related to circular carrier frequency
- n(k):
- Summarized discretized noise (shot noise, thermal noise, phase noise)
- φ(kTs- τ):
- Time-shifted code sequence
Das empfangene Signal CRX ist aber nicht nur zeitverschoben, woraus sich die Entfernung d ableiten lässt, sondern aufgrund der Reflexion an dem Objekt 11 auch dopplerverschoben. Die Dopplerfrequenz fD kann aus diesem Signal CRX aber nicht oder zumindest nur mit hohem Rechenaufwand detektiert werden. Würde eine FFT-Analyse des Signals CRX durchgeführt, so würde eine Bandbreite BC des Phasen-Codes als zusätzliches Rauschen erscheinen und damit die Detektion der Dopplerfrequenz fD erschweren. Wie zuvor beschrieben, erfolgt daher eine Potenzierung des Signals CRX, um die Ermittlung der Dopplerfrequenz fD zu ermöglichen. In dem verwendeten Beispiel wird auf Biphasen-Codes abgestellt, das bedeutet, die Phasen-Codes haben eine Wertigkeit von 2. Das Potenzieren ist in diesem Fall ein Quadrieren. Das quadrierte Signal ergibt sich somit wie Folgt:
- I.
- II.
- III.
- IV.
- I
- II.
- III.
- IV
Somit ermöglicht der Signalbestandteil I. wie zuvor beschrieben die Ermittlung der Dopplerfrequenz fD, wobei besagte Ermittlung zuverlässig und rechenaufwandsarm erfolgen kann. Ist die Dopplerfrequenz fD bekannt, lässt sich durch die Auswerteeinheit 8 außerdem die Entfernung d ermitteln. Auch dies kann zuverlässig erfolgen, sobald die Dopplerfrequenz fD bekannt ist. Das empfangene Signal CRX wird vorteilhafterweise mit zwei dopplerkompensierten Templates korreliert. Alternativ ist ebenso die Korrelation mit lediglich einem Template möglich. Nachfolgend wird beispielhaft die Variante mit zwei Code Templates dargestellt:Thus, as described above, the signal component I. enables the Doppler frequency f D to be determined, with said determination being able to be carried out reliably and with little computational effort. If the Doppler frequency f D is known, the
Das erste Code Template ist:
Da der Phasenterm ω0τ jedoch unbekannt ist, wird zudem eine Kreuzkorrelation mit der Sinusversion durchgeführt:
ω̃D beschreibt dabei jeweils die zuvor geschätzte Doppler-Frequenz. Die Korrelation kann nun gleichermaßen für beide Templates mathematisch wie folgt beschrieben werden, wobei cT jeweils für die Kosinus- oder die Sinus-Version des Templates steht:
Ncs ist hierbei die Länge der Code-Sequenz und ergibt sich über NCS = TCS · ƒs, wobei Tcs die Gesamtdauer der Code-Sequenz ist. Die beiden Korrelationsfunktionen für die verschiedenen Template-Funktionen können dann folgendermaßen zusammengefasst werden:
Die Frequenzauflösung Δƒ der Dopplerschätzung ergibt sich aus der Sendedauer phasenmodulierten Signals. Die Frequenzauflösung Δƒ entspricht dabei in etwa dem Kehrwert dieser Sendedauer. Somit ergibt sich:
Die Entfernungsauflösung Δd ist abhängig von der Bandbreite Bc des Phasencodes und ergibt sich in etwa zu:
Insbesondere ist die Sendeeinheit 3 ausgebildet, Sendesequenzen 100 (vgl.
Außerdem weist die Empfangseinheit 4 einen ersten Zusatzsplitter 15 auf, der das Referenzsignal von dem Splitter 12 der Sendeeinheit 3 nochmals aufgesplittet, um dieses dem jeweiligen Koppler 13a, 13b der entsprechenden Pfade des komplexen Demodulators 18, 19 zu übertragen. Dabei ist vorgesehen, dass für den Q-Pfad ein Phasenversatz von 90° eingebracht wird. Ebenso ist ein zweiter Zusatzsplitter 14 vorhanden, der das von der Empfangsoptik 6 empfangene Licht auf die beiden Pfade des komplexen Demodulators 18, 19 aufteilt.In addition, the receiving
Wird ein komplexer Demodulator verwendet, so sind zwei Basisbandsignale vorhanden. Diese Basisbandsignale sind ein I-Anteil und Q-Anteil, welche wie folgt beschrieben werden können:
Die beiden reellen Signale können als ein komplexes Basisbandsignal interpretiert werden (z=I+jQ), dazu nehmen wir an, dass Â1 = ÂQ = Â ist und definieren (nI (k) + jnQ (k)) = n
Wird dieses Signal nun quadriert, erhält man:
- I.
2 gezeigt und zuvor beschrieben,verschwindet der Code aufgrund derMultiplikation mit 2; man erhält wiederum eine Oszillation auf der zweifachen Dopplerfrequenz fD. Des Weiteren bleibt die volle Signalenergie im Nutzsignal. - II.
- III.
Sensorsystems 1 mit reellem Demodulator werden hier die beiden quadratischen Rauschanteile voneinander abgezogen, Je nach Korrelationsgrad erhält man somit eine Rauschunterdrückung, die DC Rauschterme werden in jedem Fall stark gedämpft. Simulationen legen nahe, dass immer eine gewisse Unterdrückung der quadratischen Teile stattfindet. Der Mischterm bleibt jedoch in jedem Fall erhalten, beeinflusst die Performance allerdings weniger dramatisch.
- I
2 shown and previously described, the code vanishes due to multiplication by 2; an oscillation at twice the Doppler frequency f D is again obtained. Furthermore, the full signal energy remains in the useful signal. - II.
- III.
LiDAR sensor system 1 with a real demodulator, the two quadratic noise components are subtracted from one another here. Depending on the degree of correlation, noise suppression is thus obtained, the DC noise terms are strongly damped in any case. Simulations suggest that there is always some suppression of the quadratic parts. However, the mixed term is retained in any case, but affects the performance less dramatically.
Die Performance mit einem solchen IQ-Demodulator ist gegenüber der zuvor beschriebenen Variante mit reellem Demodulator erhöht. Dies folgt aufgrund der DC- und verbesserten Rauschunterdrückung in den quadratischen Bestandteilen des Signals. Außerdem ermöglicht der komplexe Demodulator bzw. IQ-Demodulator eine vorzeichenrichtige Dopplerschätzung und somit die Ermittlung der Geschwindigkeit v des Objekts 11 nicht nur betragsmäßig, sondern vorzeichenrichtig.The performance with such an IQ demodulator is increased compared to the previously described variant with a real demodulator. This follows due to the DC and improved noise rejection in the quadratic components of the signal. In addition, the complex demodulator or IQ demodulator enables a Doppler estimation with the correct sign and thus the determination of the speed v of the
Nachdem die Dopplerschätzung fD durchgeführt wurde, erfolgt die Dopplerkompensation und die Ermittlung des Abstands d zu dem Objekt 11 auf dieselbe Art wie zuvor beschrieben.After the Doppler estimation f D has been carried out, the Doppler compensation and the determination of the distance d to the
In
Wie zuvor beschrieben, ist die Sendeeinheit 3 ausgebildet, mehrere Sendesequenzen 100 auszusenden. Für diese Variante ist vorgesehen, dass zwei Sendesequenzen 100a und 100b versandt werden, wobei die zweite Sendesequenz 100b gegenüber der ersten Sendesequenz 100a denselben Phasencode, aber einen Phasenversatz von 90° aufweist. Die erste Sendesequenz 100a und die zweite Sendesequenz 100b können wahlweise sequentiell ausgesandt werden, wie in
Die zuvor beschriebene Signalverarbeitung, insbesondere die Potenzierung des empfangenen Signals, wird vorteilhafterweise im digitalen Bereich durchgeführt. The signal processing described above, in particular the exponentiation of the received signal, is advantageously carried out in the digital domain.
Hierzu ist, wie zuvor beschrieben, der digitale Signalprozessor 8c vorhanden. Alternativ kann die Potenzierung auch in Hardware implementiert werden.As previously described, the
Ein Vorteil des LiDAR-Sensorsystems 1 liegt darin, dass die Detektion mehrerer Ziele 11 ermöglicht ist. Würden mehrere Ziele 11 von einer Sendesequenz 100 getroffen werden, so lassen sich mehrere Dopplerfrequenzen fD ermitteln. Die einzelnen Entfernungen d der verschiedenen Objekte 11 lassen sich dann iterativ durch kompensierte Korrelation wie zuvor beschrieben ermitteln. Das LiDAR-Sensorsystem 1 ermöglicht somit ein zuverlässiges Unterscheiden von mehreren Objekten 11, wobei die einzelnen Entfernungen dieser Objekte 11 von dem LiDAR-Sensorsystem 1 zuverlässig ermittelt werden können.One advantage of the
Die Sendeeinheit 3 weist mehrere Phasenmodulatoren 7a, 7b, 7c auf, wobei jeder der Phasenmodulatoren 7a, 7b, 7c einen unterschiedlichen Code durch Phasenmodulation in das Laserlicht der Laserquelle 2 einbringt. Alle diese Codes sind dabei orthogonal zueinander, so dass eine Korrelation der verschiedenen Codes nicht zu einem Peak, sondern ledig zu Rauschen führt. Die mittels der Phasenmodulatoren 7a, 7b, 7c codierten Signale lassen sich über eigene Sendeoptiken 5a, 5b, 5c aussenden.The
Die Sendeeinheit 3 kann somit gleichzeitig mehrere Sendesequenzen 100 aussenden, wobei in
In
Bei einer solchen Ausgestaltung des LiDAR-Sensorsystems 1 lassen sich wiederum mehrere Dopplerfrequenzen fD bestimmen, wobei für jede der parallelen Sendesequenzen 100 und für jedes Objekt 11 eine Dopplerfrequenz fD vorhanden ist. Dabei ist jeder ausgesandten Sendesequenz 100 zumindest eine Dopplerfrequenz fD zugewiesen, wenn die entsprechenden Sendesequenzen 100 an einem Objekt 11 reflektiert wurden. Um die zugehörigen Entfernungen der entsprechenden Sendekanäle zu bestimmen, kann als einfachste Variante mit jeder detektierten Dopplerfrequenz fD eine Kompensation aller für die Sendesequenzen 100 verwendeter Codes der Phasenmodulatoren 7a, 7b, 7c verwendet werden. Anschließend erfolgt eine Korrelation dieser kompensierten Codes mit den empfangenen Signalen. Führen Dopplerfrequenz fD und der Code des jeweiligen Phasenmodulators 7a, 7b, 7c zu einem Peak im Korrelogramm, so sind Frequenz und Kanal sowie Entfernung über die Peak -Position im Korrelogramm definiert. Ein solches Trial and Error-Verfahren ist einfach umzusetzen.With such an embodiment of the
In
Wird in der Abfrage 303 jedoch festgestellt, dass kein Peak detektiert wurde, so wird die Laufvariable n inkrementiert und es erfolgt eine Code-Anzahl-Abfrage 306. Ist die Laufvariable n größer als die Anzahl N, so wird wiederum der zuvor beschriebene Speicherschritt 304 durchgeführt und das Verfahren läuft wie zuvor beschrieben weiter. Ist hingegen die Laufvariable n nicht größer als die Anzahl N, so wird erneut der Generierschritt 301, dieses Mal mit inkrementierter Laufvariable n erneut durchgeführt.However, if
Das LiDAR-Sensorsystem 1 erlaubt somit eine sichere und zuverlässige Ermittlung von Abstand und Geschwindigkeit, zumindest eines Betrags der Geschwindigkeit, eines Objekts 11 in der Umgebung des LiDAR-Sensorsystems 1. Dabei ist sowohl die Möglichkeit der Parallelisierung als auch die Möglichkeit der Detektion mehrerer Objekte 11 gegeben. Außerdem ist ein Aufbau des LiDAR-Sensorsystems 1 einfach und aufwandsarm ermöglicht. Somit eignet sich das LiDAR-Sensorsystem 1 aufgrund seiner geringen Herstellungskosten optimal für die Verwendung in Fahrzeugen.The
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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