DE102020215041A1

DE102020215041A1 - LiDAR-Sensor-System

Info

Publication number: DE102020215041A1
Application number: DE102020215041.9A
Authority: DE
Inventors: Oliver Kern; Sebastian BANZHAF
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-Sensor-System (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-Sensor-Systems (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 des Lichts auszusenden, wobei jede Sendesequenz einen durch den Phasenmodulator (7) aufgebrachten Phasencode (110) aufweist, und wobei die Auswerteeinheit (8) ausgebildet ist, für eine Vielzahl von vordefinierten Code-Verschiebungen (u) jeweils ein Auswertesignal (130) zu erstellen durch eine Multiplikation eines empfangenen Lichtsignals (120) mit dem, mit jeweils einer der vordefinierten Code-Verschiebungen (u) verschobenen, Phasencode (110), aus den Auswertesignalen (130), insbesondere den Spektren (140) der Auswertesignale (130), eine Dopplerfrequenz (fD) zu ermitteln, und anhand der Dopplerfrequenz (fD) und der vordefinierten Code-Verschiebung (u) des die Dopplerfrequenz (fD) aufweisenden Auswertesignals (130) eine Entfernung (d) zu dem Objekt (11) zu bestimmen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-Sensor-System. Das LiDAR-Sensor-System ist insbesondere in einem Fahrzeug verwendbar. Das LiDAR-Sensor-System ermöglicht eine zuverlässige Dopplerkompensation.
Aus dem Stand der Technik sind LiDAR-Sensor-Systeme 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 zugrunde liegende 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 WO 2018/144853 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße LiDAR System ermöglicht die zuverlässige Schätzung von Distanzen und Geschwindigkeiten von Zielen bei phasenmodulierten Lichtsignalen. Diese Schätzung wird mittels Entfaltung durchgeführt, welche sowohl die Laufzeit des Lichts und die Dopplerfrequenz offenbart. Der Aufbau des erfindungsgemäßen LiDAR-Sensor-Systems 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-Sensor-Systems, die Möglichkeit mehrere Ziele zu detektieren sowie eine zuverlässige und eindeutige Entfernungsschätzung durchzuführen.
Das LiDAR-Sensor-System 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-Sensor-Systems. Das von der Sendeeinheit in die Umgebung ausgesandte Licht weist somit einen Phasencode auf, der durch den Phasenmodulator eingebracht wird.
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.
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.
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.
Die Auswerteeinheit ist daher bevorzugt ausgebildet, das empfangene Lichtsignal zu entfalten. Dies wird derart durchgeführt, dass verschiedene mögliche Code-Verschiebungen ausprobiert werden, um die passende Phasenverschiebung zu ermitteln. Dazu ist die Auswerteeinheit ausgebildet, für eine Vielzahl von vordefinierten Code-Verschiebungen jeweils ein Auswertesignal zu erstellen. Das Auswertesignal wird erstellt durch eine Multiplikation eines empfangenen Lichtsignals mit dem Phasencode, der bevorzugt biphasig ist. Der Phasencode wird dabei mit jeweils einer der vordefinierten Code-Verschiebungen verschoben. Somit sind eine Vielzahl von Auswertesignalen vorhanden, die sich aufgrund der unterschiedlichen verwendeten Code-Verschiebungen unterscheiden. Dabei entspricht lediglich eine der vordefinierten Code-Verschiebungen der tatsächlichen Zeitverschiebung des empfangenen Lichtsignals. Aus den Auswertesignalen lässt sich somit die Dopplerfrequenz ermitteln, die durch die Reflexion an dem Objekt bedingt wurde. Insbesondere lässt sich besagte Dopplerfrequenz aus den Spektren der Auswertesignale ermitteln. Eine solche Ermittlung kann beispielsweise derart erfolgen, dass nach dem größten Peak in den Spektren gesucht wird. Dieser größte Peak tritt nur bei demjenigen Auswertesignal auf, das mit derjenigen Code-Verschiebung erstellt wurde, die der tatsächlichen Phasenverschiebung des Lichtsignals entspricht.
Ist die Dopplerfrequenz bekannt, so ist auch diejenige vordefinierte Code-Verschiebung bekannt, die das die Dopplerfrequenz aufweisende Auswertesignal aufweist. Anhand dieser Daten lässt sich somit die Zeitverschiebung des empfangenen Lichtsignals und damit die Entfernung zu dem Objekt bestimmen. Insbesondere ist die Auswerteeinheit somit eingerichtet, anhand eines dreidimensionalen Spektrums mit den Achsen „Amplitude“, „Frequenz“ sowie „Zeitverschiebung“ den größten vorhandenen Wert der Amplitude zu ermitteln. Diese größte Amplitude zeigt zum einen die Dopplerfrequenz, zum anderen die Zeitverschiebung des empfangenen Lichtsignals an. Somit kann auf zuverlässige und einfache Art und Weise die Entfernung zu dem Objekt ermittelt werden. Zusätzlich ist eine betragsmäßige Schätzung der Geschwindigkeit des Objekts ermöglicht.
Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Die Auswerteeinheit ist bevorzugt ausgebildet, für alle möglichen Code-Verschiebungen jeweils ein Auswertesignal zu erstellen. Durch eine solche Methode ist sichergestellt, dass die Zeitverschiebung des empfangenen Lichtsignals durch eine zugehörige Code-Verschiebung dargestellt werden kann. Somit ist die Ermittlung der Entfernung zu dem Objekt anhand der Zeitverschiebung zuverlässig ermöglicht. Insbesondere lässt sich auf diese Weise ein kontinuierliches, dreidimensionales Spektrum wie zuvor beschrieben ermitteln. Somit ist eine zuverlässige und genaue Ermittlung von Dopplerfrequenz und Zeitverschiebung ermöglicht, woraus sich die Entfernung und die betragsmäßige Geschwindigkeit des Objekts bestimmen lassen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jeder Phasencode eine Vielzahl von identischen Kerncodes aufweist. Die Kerncodes sind dabei gemäß einem zusätzlich überlagerten Zusatzcode entweder invertiert oder nicht invertiert. Die Sendesequenz setzt sich somit aus einer Mehrzahl von identischen Kerncodes, die wahlweise invertiert oder nicht invertiert sind, zusammen. Diese Sendesequenz weist somit zwei verschiedene Codes auf, die zusammen den Phasencode ergeben. Diese beiden Codes sind zum einen der Kerncode, zum anderen der Zusatzcode. Die Auswerteeinheit ist in diesem Fall ausgebildet, zunächst die Auswertesignale unter Weglassung des in den Phasencodes vorhandenen Zusatzcodes zu erstellen. Anhand der Auswertesignale, insbesondere der Spektren der Auswertesignale, lässt sich somit eine Vorabschätzung der Dopplerfrequenz und insbesondere eine nicht eindeutige Schätzung der Entfernung vornehmen. Anschließend werden die Auswertesignale unter Berücksichtigung des gesamten Phasencodes erstellt, um die finale Dopplerfrequenz und die Entfernung zu dem Objekt zu bestimmen. Die Erstellung der Auswertesignale erfolgt analog wie zuvor beschrieben, d.h., durch Multiplikation des empfangenen Lichtsignals mit dem Phasencode, wobei der Phasencode jeweils um die vordefinierte Code-Verschiebung verschoben ist. Dies bedeutet insbesondere, dass zunächst das empfangene Lichtsignal auf die Zeitverschiebung hinsichtlich der Kerncodesequenzen geprüft wird. Somit ist die Phasenlage der Kerncodesequenzen bekannt, woraus sich eine nicht eindeutige Zeitverschiebung des empfangenen Signals ableiten lässt. Diese entspricht dem Rest der Division zwischen tatsächlicher Zeitverschiebung und Dauer einer Kerncodesequenz. Im nachfolgenden zweiten Schritt muss daher zum Auffinden der Dopplerfrequenz sowie der Entfernung zu dem Objekt nicht mehr jede mögliche Code-Verschiebung überprüft werden, sondern es müssen lediglich solche Code-Verschiebungen überprüft werden, die der Verschiebung um eine gesamte Länge der identischen Kerncodes entsprechen. Auf diese Weise lässt sich das Auffinden der finalen Dopplerfrequenz und damit der Entfernung zu dem Objekt erheblich verkürzen. Insbesondere lassen sich die notwendigen Rechenoperationen der Auswerteeinheit minimieren. Dadurch kann die Auswerteeinheit effizient und zuverlässig die Dopplerfrequenz und die Zeitverschiebung des empfangenen Lichtsignals ermitteln. Dies bewirkt eine zuverlässige und genaue Ermittlung von Entfernung und betragsmäßiger Geschwindigkeit des Objekts.
Besonders vorteilhaft erfolgt die Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz anhand der Spektren der Auswertesignale. Dies erfolgt analog wie zuvor beschrieben, da anhand der Spektren der Auswertesignale die Dopplerfrequenz als Peak ersichtlich ist. Da lediglich die Kerncodes zur Erstellung der Auswertesignale verwendet wurden, ist dieser Peak zwar unscharf, dennoch aber erkennbar. Somit ist eine Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz ermöglicht. Alternativ oder zusätzlich erfolgt die Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz anhand einer Autokorrelation der Auswertesignale. Aufgrund der Erstellung der Auswertesignale unter Weglassung des Zusatzcodes ist somit in demjenigen Auswertesignal, das mit der für die Übereinstimmung der Kerncodes notwendigen Code-Verschiebung erstellt wurde, lediglich der Zusatzcode und die Dopplerfrequenz vorhanden. Der Zusatzcode weist eine bekannte Autokorrelationsfunktion auf. Insbesondere sind zwei Varianten vorgesehen. In einer ersten Variante erfolgt die Berechnung der Autokorrelationsfunktion der Auswertesignale. Außerdem wird jeweils die Einhüllende berechnet, wodurch eine Entfernung des Dopplereinflusses aus der Autokorrelationsfunktion erfolgt. Erfolgt nun eine Korrelation der Einhüllenden mit der bekannten Autokorrelationsfunktion des Zusatzcodes, so indiziert ein Maximum den gesuchten Zustand, d.h., die identische Phasenlage der Kerncodes im empfangenen Lichtsignal und im entsprechend verschobenen Phasencode. In einer zweiten Variante erfolgt wiederum die Berechnung der Autokorrelationsfunktionen der Auswertesignale. Da die Autokorrelationsfunktion des Zusatzcodes bekannt ist, lässt sich die Charakteristik dieses Zusatzcodes somit entfernen. Dasjenige Auswertesignal, das die korrekte Code-Verschiebung für die identische Phasenlage der Kerncodes aufweist, beinhaltet somit lediglich die Oszillation des Dopplers. Daher lässt sich anhand einer FFT-Berechnung und einem größten Peak im entstehenden Spektrum dasjenige Auswertesignal ermitteln, das die tatsächliche Code-Verschiebung zum Erreichen der identischen Phasenlage der Kerncodes aufweist. Somit kann wiederum eine Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz durchgeführt werden. In dieser Variante ist die Schätzung der Dopplerfrequenz sehr präzise.
Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass der Zusatzcode über eine vordefinierte maximale Lichtlaufzeit des LiDAR-Sensor-Systems eindeutig ist. Außerdem wird vorteilhafterweise der Zusatzcode bis zur Länge der Sendesequenz wiederholt. Die Sendesequenz umfasst somit zum einen die Wiederholung der identischen Kerncodes, zum anderen die Wiederholung der identischen Zusatzcodes. Dabei ist die Länge der Kerncodes bevorzugt geringer als die Länge der Zusatzcodes. Die Zusatzcodes sind dabei zumindest über eine erwartete maximale Lichtlaufzeit eindeutig.
Besonders vorteilhaft ist die Auswerteeinheit außerdem ausgebildet, durch einen Vergleich der einzelnen Wiederholungen der Zusatzcodes im empfangenen Lichtsignal eine zusätzliche Ermittlung der Dopplerfrequenz durchzuführen. Über die einzelnen Intervalle des Zusatzcodes besteht stets der gleiche Phasenzustand des Codes, daher ist lediglich der Doppler sichtbar. Insbesondere lässt sich eine derartige zusätzliche Ermittlung der Dopplerfrequenz dazu verwenden, die zuvor beschriebene Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz zu plausibilisieren und/oder zu optimieren.
Zuvor wurde beschrieben, dass bei der Generierung der Auswertesignale unter Weglassung des Zusatzcodes eine Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz ermöglicht ist. Zusätzlich ist auf diese Weise eine Code-Verschiebung ermittelbar, die zu einer gleichen Phasenlage der Kerncodes im empfangenen Lichtsignal und im verschobenen Phasencode führt. Allerdings ist dabei nicht bekannt, um wie viele Kerncodelängen eine zusätzliche Code-Verschiebung notwendig ist, damit auch eine identische Phasenlage bei dem Zusatzcode vorliegt. Somit ist eine Entfernung noch nicht eindeutig, weswegen zuvor ein weiterer Schritt beschrieben wurde, bei dem die Auswertesignale unter Berücksichtigung des gesamten Phasencodes erstellt werden. Die Ermittlung der Entfernung kann somit anhand der Spektren dieser Auswertesignale erfolgen, wie zuvor beschrieben. In einer weiteren Variante ist ermöglicht, dass die Auswerteeinheit anhand der Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz eine Dopplerkompensation des Phasencodes oder des empfangenen Lichtsignals durchführt. Um die Entfernung zu dem Objekt zu ermitteln, ist die Auswerteeinheit ausgebildet, eine Korrelation der Auswertesignale mit dem empfangenen Lichtsignal zu ermitteln. Die Auswertesignale und/oder die empfangenen Lichtsignale sind dabei dopplerkompensiert. Die Auswertesignale wurden außerdem unter Berücksichtigung des gesamten Phasencodes generiert.
Ein solches Vorgehen ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz zuverlässig ist, was insbesondere mit den zuvor beschriebenen Maßnahmen erreichbar ist. So lassen sich insbesondere zwei Varianten durchführen: Zum einen ist die Auswerteeinheit vorteilhafterweise ausgebildet, das empfangene Lichtsignal mit einem Oszillationssignal basierend auf der Vorab-Dopplerschätzung zu mischen. Dadurch lässt sich der Einfluss der Dopplerverschiebung minimieren oder entfernen. Anschließend lässt sich somit eine Korrelation zwischen heruntergemischtem Empfangssignal und bekanntem Phasencode durchführen, um die korrekte Code-Verschiebung zu ermitteln. In einer zweiten Variante lässt sich auch der bekannte Phasencode dopplerkompensieren, wobei besagte Dopplerkompensation auf der Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz basiert. Wiederum kann anhand einer Korrelation des empfangenen Lichtsignals mit einem solchen dopplerangepassten Phasencodes die tatsächliche Code-Verschiebung ermittelt werden, um somit auf die Phasenverschiebung des Lichtsignals schließen zu können.
Die Auswerteeinheit ist bevorzugt ausgebildet, die Spektren der Auswertesignale mittels der Methode des gleitenden Mittelwerts und/oder durch Musterabgleich zu glätten. Dies ist insbesondere für die Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz vorteilhaft. In diesem Fall weist die Dopplerfrequenz zusätzlich das Spektrum des Zusatzcodes auf, so dass die Dopplerfrequenz nicht als schmaler Peak in dem Spektrum erscheint. Durch entsprechende Glättung des Spektrums können somit störende kleinere Peaks entfernt werden, um lediglich den tatsächlichen Peak der Dopplerfrequenz zu erfassen.
Der Kerncode weist bevorzugt eine höhere Frequenz auf als der Zusatzcode. Dies ermöglicht eine zuverlässige Trennung der beiden Codes im Phasencode. Somit eignen sich diese beiden Codes optimal zum Unterteilen der Ermittlung der Entfernung zu dem Objekt in zwei Unterschritte wie zuvor beschrieben.
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.
Die Auswerteeinheit weist besonders vorteilhaft einen Photodetektor sowie eine Auswertelogik auf. Die Auswertelogik umfasst insbesondere einen Analog-Digital-Umsetzer und einen digitalen Signalprozessor.
Jede Sendesequenz ist bevorzugt ein eindeutiger Code. Der eindeutige Code besitzt eine eindeutige Autokorrelationsfunktion. Ein eindeutiger Code stellt sicher, dass der beschriebene Entfaltungsprozess eindeutige Zeitverschiebungen liefert. Weiterhin ist sichergestellt, dass die Kreuzkorrelation zwischen Empfangssequenz und Phasencode- Template, welche für eine oben beschriebene Alternativen durchgeführt wird, ebenso eine eindeutige Zeitverschiebung der Sendesequenz erkennen kann. Anhand dieser Zeitverschiebung wiederum lässt sich die Entfernung zu dem Objekt in der Umgebung ermitteln, an dem die Sendesequenz reflektiert wurde.
Bei den Codes handelt es sich besonders vorteilhaft um Biphasen-Codes wie bspw. um Barker-Codes oder um Maximal-Folgen, auch maximum length sequenz (MLS) genannt, oder um Gold-Codes oder um Kasami-Codes. Alle diese Codes weisen eine eindeutige Autokorrelationsfunktion auf. Somit eignen sich besagte Codes vorteilhaft für die Verwendung als Sendesequenz.
Die Sendeeinheit weist bevorzugt mehrere parallele Phasenmodulatoren auf, um mehrere Sendesequenzen parallel auszusenden. Insbesondere ist für jeden Phasenmodulator eine eigene Sendeoptik vorgesehen. Die zweiten Abschnitte der 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-Sensor-System 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. Um die Sendesequenz mit orthogonalen Phasencodes zu modulieren, lassen sich unterschiedliche Möglichkeiten verwenden. Ist der Phasencode wie zuvor beschrieben derart aufgebaut, dass dieser die Kerncodes und Zusatzcodes aufweist, so können entweder Phasencodes mit orthogonalen Kerncodes verwendet werden. Die Zusatzcodes der parallel ausgesandten Sendesequenzen können gleich sein, sind vorteilhafterweise aber unterschiedlich. Die Kerncodes der parallel ausgesandten Sendesequenzen sind jeweils orthogonal zueinander. Alternativ lassen sich identische Kerncodes für die parallel ausgesandten Sendesequenzen verwenden, wobei die Zusatzcodes jeweils orthogonal zueinander ausgebildet sind.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug. Das Fahrzeug weist ein LiDAR-Sensor-System 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-Sensor-Systems minimiert sind.
Figurenliste
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-Sensor-Systems des Fahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 eine schematische Ansicht des Ablaufs innerhalb der Auswerteeinheit des LiDAR-Sensor-Systems des Fahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 eine erste schematische Ansicht eines Spektrums zur Ermittlung einer Entfernung eines Objekts mittels des LiDAR-Sensor-Systems,
5 eine zweite schematische Ansicht eines Spektrums zur Ermittlung einer Entfernung eines Objekts mittels des LiDAR-Sensor-Systems,
6 eine schematische Ansicht eines Phasencodes,
7 eine schematische Ansicht eines ersten Auswerteschritts,
8A eine schematische Ansicht eines ungeglätteten Spektrums des ersten Auswerteschritts,
8B eine schematische Ansicht eines geglätteten Spektrums des ersten Auswerteschritts,
9 eine schematische Ansicht eines zweiten Auswerteschritts,
10 eine schematische Ansicht einer zweiten Alternative des LiDAR-Sensor-Systems des Fahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
11 eine schematische Ansicht eines weiteren Auswerteschritts,
12 eine schematische Ansicht eines Spektrums eines weiteren Auswerteschritts,
13 eine schematische Übersicht über den Ablauf der Auswerteschritte,
14 eine schematische Ansicht einer zweiten Alternative des LiDAR-Sensor-Systems des Fahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
15 eine schematische Darstellung einer ersten Variante zum parallelen Betrieb des LiDAR-Sensor-Systems des Fahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
16 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante zum parallelen Betrieb des LiDAR-Sensor-Systems des Fahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt schematisch ein Fahrzeug 9 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Fahrzeug 9 wiederum weist ein LiDAR-Sensor-System 1 auf. Mit dem LiDAR-Sensor-System 1 sind Objekte 11 in einer Umgebung 10 des LiDAR-Sensor-Systems 1 und damit des Fahrzeugs 9 detektierbar.
Das LiDAR-Sensor-System 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 dzwischen LiDAR-Sensor-System 1 und Objekt 11 rückschließen. Der auftretende Dopplereffekt ermöglicht außerdem eine Abschätzung der Geschwindigkeit v, mit der sich das Objekt 11 bewegt.
Im Grundsatz ist vorgesehen, dass das LiDAR-Sensor-System 1 nach kohärenten Phasencode-Ansätzen arbeitet, so dass ein ausgesandtes Laserlicht in seiner Phase variiert wird. Eine erste Alternative der Umsetzung eines solchen LiDAR-Sensor-Systems 1 ist in 2 gezeigt. Das LiDAR-Sensor-System 1 gemäß der ersten Alternative weist, wie zuvor beschrieben, die Sendeeinheit 3 und die Empfangseinheit 4 auf. Die Sendeeinheit 3 umfasst eine Laserquelle 2, einen Phasenmodulator 7 und eine Sendeoptik 5. Die Empfangseinheit 4 weist eine Empfangsoptik 6 sowie eine Auswerteeinheit 8 auf.
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 110 zu generieren. Anschließend wird das derartig modulierte Licht von der Sendeoptik 5 in die Umgebung 10 ausgesandt.
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.
Zum Auswerten des empfangenen Lichtsignals erfolgt eine Entfaltung des empfangenen Lichtsignals mit dem Phasencode 110, der von dem Phasenmodulator 7 aufgebracht wurde. Dazu ist vorgesehen, dass der Phasencode 110 eine eindeutige Autokorrelationsfunktion aufweist. Beispielsweise handelt es sich bei dem aufgebrachten Phasencode 110 um einen Biphasen-Code wie bspw. einen Barker-Code oder um Maximalfolgen oder um Gold-Codes oder um Kasami-Codes. Anhand der Entfaltung kann somit eine Zeitverschiebung des empfangenen Lichtsignals bezüglich des ausgesandten Lichtsignals ermittelt werden. Diese Zeitverschiebung ist charakteristisch für die Lichtlaufzeit zwischen dem LiDAR-Sensor-System 1 und dem Objekt 11. Somit kann anhand der Zeitverschiebung eine Entfernung dzwischen LiDAR-Sensor-System 1 und dem Objekt 11 ermittelt werden.
Das empfangene Lichtsignal ist allerdings nicht nur zeitverschoben, sondern in seiner Frequenz auch dopplerverschoben. Die Auswerteeinheit 8 ist daher ausgebildet, die Ermittlung der Entfernung d des Objekts 11 sowie der betragsmäßigen Geschwindigkeit v des Objekts 11 gemäß dem in 3 gezeigten Ablaufplan auszuführen. 3 zeigt ein Entfaltungsverfahren 200, welches die Ermittlung von Zeit- und Dopplerverschiebung zuverlässig ermöglicht.
Das Entfaltungsverfahren 200 beginnt zum einen mit dem empfangenen Lichtsignal 120, das mittels der Empfangseinheit 4 aus der Umgebung empfangen wurde. Zum anderen beginnt das Entfaltungsverfahren 200 mit dem Phasencode 110, der zum Generieren der Sendesequenz verwendet wurde. Der Phasencode 110 ist beispielsweise eine biphasige PN-Code-Sequenz, die von dem Phasenmodulator 7 auf einen Träger moduliert ist. Die so generierte Sendesequenz wird ausgesendet und gedämpft, zeitverzögert und dopplerverschoben als Lichtsignal 120 wieder empfangen. Das Lichtsignal 120 lässt sich als digitales Signal C_RX mathematisch wie folgt beschreiben: $c_{R X} (k) = {\hat{A}}_{C} \cdot cos (ω_{D} k T_{S} + ω_{0} τ - ϕ (k T_{S} - τ)) + n_{C} (k)$

k:: Digitale Laufvariable k ∈ ℕ₀,
TS:: Abtastinterval; Entspricht invertiert der Abtastzeit: f_s = 1/T_s,
Â:: Signalamplitude, beinhaltet Dämpfung über Signalpfad, Verstärkung im Mischprozess und durch Verstärker, etc.,
ωD:: Kreisfrequenz der Doppler-Frequenz:
ω0 τ:: Phasenverschiebung resultierend aus Time of Flight bezogen auf Kreisträgerfrequenz,
n(k):: Zusammengefasstes diskretisiertes Rauschen (Schrotrauschen, thermisches Rauschen, Phasenrauschen),
ϕ(kTs - τ):: Zeitverschobene Codesequenz.

Der Phasencode 110 wird in einem Verschiebeschritt 210 um eine Code-Verschiebung u verschoben, wobei durch die Initialisierung 220 die initiale Code-Verschiebung u zu Null gesetzt wird. Der um u verschobene Phasencode 110 wird in einem Multiplikationsschritt 230 mit dem empfangenen Lichtsignal 120 multipliziert. Auf diese Weise entsteht ein erstes Auswertesignal 130. Von dem Auswertesignal 130 wird in einen FFT-Berechnungsschritt 240 ein Spektrum 140 berechnet. Dieses Spektrum 140 wird in einem Speicherschritt 250 gespeichert.
Diese Schritte werden wiederholt für alle möglichen Code-Verschiebungen u. Somit durchläuft die Code-Verschiebung von u = 0 bis u_max= fs τ_max, wobei f_s die Abtastrate und τ_max die maximal zu erwartende Verschiebung des empfangenen Lichtsignals ist. Somit erfolgt in einem Abfrageschritt 260 die Abfrage, ob die Code-Verschiebung u bereits den Maximalwert u_max erreicht hat. Ist dies nicht der Fall, so wird die Code-Verschiebung u inkrementiert und das Verfahren verläuft wiederum mit den Schritten 210, 230, 240 und 250 zum Auswerteschritt 260. Wird der Auswerteschritt 260 bejaht, so wurden alle möglichen Code-Verschiebungen u berücksichtigt. Daher lässt sich aus den gespeicherten Spektren 140 ein Peak-Detektionsschritt 270 durchführen, um den maximalen Peak über alle Spektren 140 zu ermitteln. Der ermittelte Peak zeigt die Dopplerfrequenz f_D an, wobei ebenso dasjenige Spektrum 140 ermittelbar ist, in dem besagter Peak vorhanden ist. Aus dem Spektrum 140 lässt sich wiederum das Auswertesignal 130 ermitteln, was wiederum zu der zur Erstellung des Auswertesignals 130 verwendeten Code-Verschiebung u führt. Diese Code-Verschiebung u zeigt somit die korrekte Zeitverschiebung des empfangenen Lichtsignals 120 an. Es ist somit zuverlässig ermöglicht, auf die Entfernung d zum Objekt 11 sowie auf die Geschwindigkeit v, zumindest betragsmäßig, des Objekts 11 zu schließen.
Mathematisch lässt sich der Multiplikationsschritt 230 in Abhängigkeit von der Code-Verschiebung u wie folgt darstellen: $ƒ (k, u) = c_{R X} (k) \cdot c_{T} (k, u) = [{\hat{A}}_{c} \cdot cos (ω_{D} k T_{s} + ω_{0} τ - ϕ (k T_{s} - τ)) + n_{c} (k)] \cdot cos (ϕ ((k - u) T_{s}))$
$\begin{array}{l} ƒ (k, u) = c_{R X} (k) \cdot c_{T} (k, u) \\ = \frac{{\hat{A}}_{c}}{2} \cdot [cos (ω_{D} k T_{s} + ω_{0} τ - ϕ (k T_{s} - τ) + ϕ ((k - u) T_{s})) \\ + cos (ω_{D} k T_{s} + ω_{0} τ - ϕ (k T_{s} - τ) - ϕ ((k - u) T_{s}))] + n_{c} (k) \cdot cos (ϕ ((k - u) T_{s})) \end{array}$
Da das Code-Template c_T, d.h., der Phasencode 110, nicht in seiner Frequenz verschoben wird und es sich um einen biphasigen Code mit Δφ=180° handelt (z.B. wird insbesondere oben aufgrund der Multiplikation mit cos(Φ) ein Code mit {0,π} rad verwendet werden), ist die Code-Template Sequenz, mit welcher multipliziert wird, insbesondere eine Folge der Elemente {1, -1}. Eine solche Multiplikation ist effizient in Software und/oder Hardware implementierbar. Stimmt uT_s mit der tatsächlichen Verschiebung des empfangenen Signals τ überein, wird der Phasencode 110 aus dem Signal entfernt und einzig die Dopplerfrequenz f_D bleibt erhalten. Dabei gilt ±2Φ=konst., so dass der Phasencode 110 verschwindet. $ƒ (k, u) \overset{u T_{s} = τ}{\to} = {\hat{A}}_{C} \cdot cos (ω_{D} k T_{S} + ω_{0} τ) + n_{C} (k) \cdot cos (- ϕ ((k - u) T_{s}))$
Der Produkt-Term von Rauschen und Template ist effektiv ein Rauschterm vergleichbarer Stärke wie im ursprünglichen Signal. Um erkennen zu können, wann nun der Code verschwindet, ist es erforderlich für jede Verschiebung u eine FFT über das resultierende Signal zu berechnen. Ist im berechneten Spektrum 140 dann ein Peak erkennbar, entspricht dieser Peak der Dopplerfrequenz f_D und sagt außerdem aus, dass der Phasencode 110 entfernt wurde, also uTs = τ gilt! Somit ist auch die Entfernung d bekannt.
4 zeigt schematisch die Wertung der Spektren 140 auf graphische Weise. Die Kombination der gespeicherten Spektren 140 lässt sich als dreidimensionales Spektrum darstellen, wobei die Abszisse die Zeitverschiebung, die Ordinate die Frequenz und die Applikate, die in 4 senkrecht zur Zeichenebene orientiert ist, die Amplitude zeigt. Das so erstellte dreidimensionale Spektrum ist in 4 vereinfacht dargestellt und zeigt lediglich den Punkt mit der höchsten Amplitude, der somit dem Peak 150 entspricht. Der Peak 150 zeigt zum einen die Dopplerfrequenz f_D und zum anderen die Zeitverschiebung τ an. Somit lassen sich zum einen die betragsmäßige Geschwindigkeit v aus der Dopplerfrequenz f_D und die Entfernung d aus der Phasenverschiebung τ ermitteln.
5 veranschaulicht das zweidimensionale Spektrum 140, das den Peak 150 aufweist. Dieses Spektrum 140 ist ein Ausschnitt aus dem dreidimensionalen Spektrum aus 4 und verläuft bezüglich 4 senkrecht auf der Zeichenebene und parallel zur Abszisse.
Nachfolgend wird eine weitere Variante beschrieben, die weniger rechenaufwendig ist als die zuvor beschriebene Variante. Somit ist die nachfolgend beschriebene Variante insbesondere vorteilhaft für die Ausführung auf einem fahrzeugintegrierten Steuergerät. Während zuvor ein vollständiges Entfaltungsverfahren 200 beschrieben wurde, wird im Folgenden lediglich ein reduziertes Entfalten vorgestellt. Hierzu wird eine spezielle Strukturierung des Phasencodes 110 verwendet, wie in 6 gezeigt ist.
6 zeigt den Aufbau des Phasencodes 110. Dieser ist zusammengesetzt aus einer Vielzahl von identischen Kerncodes 160, die fortlaufend wiederholt werden. Die Kerncodes 160 sind einem Zusatzcode 170 überlagert, wobei der Zusatzcode 170 die Kerncodes 160 entweder invertiert oder nicht invertiert. Somit besteht der Phasencode 110 aus einer Aneinanderreihung nicht invertierter Kerncodes 160A und invertierter Kerncodes 160B. Die Zeitdauer T_cc der Kerncodes 160 ist deutlich kleiner als die Gesamtdauer T_FC des Phasencodes 110, so dass eine Vielzahl von Kerncodes 160 vorhanden sind. Der Zusatzcode 170 kann entweder über die Gesamtdauer T_FC des Phasencodes 110 eindeutig sein. Es ist aber ausreichend, wenn der Zusatzcode 170 über eine vordefinierte maximale Lichtlaufzeit TOF_max eindeutig ist. Die vordefinierte Lichtlaufzeit TOF_max entspricht einer zu erwartenden maximalen Lichtlaufzeit bei der Verwendung des LiDAR-Sensor-Systems 1. In dem in 6 gezeigten Beispiel ist somit eine identische Frequenz des Zusatzcodes 170 vier Mal in dem Phasencode 110 vorhanden.
Der Zusatzcode 170 stellt somit einen Nestingcode dar, der den Kerncode 160 einbettet. Der gesamte Phasencode 110 ist somit ein Nested Code. Mathematisch kann der Phasencode 110 wie in 6 gezeigt, somit wie folgt beschrieben werden: $c_{N C} (k) = \hat{A} \cdot cos (ω_{D} k T_{S} + ω_{0} τ - {rep}_{T_{C C}} (Φ_{C C 1} (k T_{S} - τ)) - Φ_{N T} (k T_{S} - τ)) + n (k)$
Die rep_Tcc( )-Funktion bezeichnet dabei die Wiederholung des Kerncodes 160 (Φ_CC) über die Kerncodedauer Tcc; Φ_NT ist der Zusatzcode 170, welcher in der mathematischen Beschreibung nicht wiederholt wird. Das weitere Entfaltungsvorgehen ist nun ähnlich zu dem zuvor beschriebenen vollständigen Entfalten, allerdings müssen durch den Wiederholcharakter weniger Iterationen durchgeführt werden. Jedoch sind zwei Schritte notwendig. Vorzugsweise wird in einem ersten Schritt jedes Auswertesignal 130 unter Weglassung des Zusatzcodes 170 des Phasencodes 110 erstellt, so dass lediglich die Kerncodes 160 verwendet werden. Die Auswertesignale 130 lassen sich mathematisch daher wie folgt darstellen: $\begin{array}{l} r (k, u) = c_{N C} (k) \cdot c_{T C C} (k, u) \\ = [\hat{A} \cdot cos (ω_{D} k T_{s} + ω_{0} τ - {rep}_{Tcc} (Φ_{C C} (k T_{S} - τ)) - Φ_{N T} (k T_{S} - τ)) + n (k)] \\ \cdot cos ({rep}_{Tcc} (Φ_{C C} (k - u) T_{s})) \end{array}$
$\begin{array}{l} r (k, u) = \frac{\hat{A}}{2} \cdot [cos (ω_{D} k T_{s} + ω_{0} τ - {rep}_{Tcc} (Φ_{C C} (k T_{S} - τ)) - Φ_{N T} (k T_{S} - τ) + {rep}_{Tcc} (Φ_{C C} ((k - u) T_{s}))) \\ + cos (ω_{D} k T_{s} + ω_{0} τ - {rep}_{Tcc} (Φ_{C C} (k T_{S} - τ)) - Φ_{N T} (k T_{S} - τ) - {rep}_{Tcc} (Φ_{C C} ((k - u) T_{s})))] \\ + n (k) cos ({rep}_{Tcc} (Φ_{C C} ((k - u) T_{S}))) \end{array}$
Sobald gilt: uT_s = mod(τ, Tcc), wird aufgrund des Wiederholcharakters der insbesondere hochfrequente Kerncode 160 entfernt und es bleibt der insbesondere niederfrequente Zusatzcode 170 mit der Dopplerfrequenz f_D übrig. Dieser hat eine Bandbreite von B_NT = 1/Tcc. Es ergibt sich: $r (k, u) \overset{u T_{s} = m o d (τ, T_{C C})}{\to} \hat{A} \cdot cos (ω_{D} k T_{s} + ω_{0} τ - Φ_{N T} (k T_{S} - τ)) + n (k) cos ({rep}_{Tcc} (Φ_{C C} ((k - u) T_{S})))$
Die oben geschriebene Modulo Operation verdeutlicht nochmal, dass im Vergleich zum zuvor beschriebenen vollständigen Entfaltungsverfahren 200 weniger Iterationen nötig sind, um den Sperrzustand dt = uT_s = mod(τ, T_CC) zu erreichen. In 7 wird dies grafisch veranschaulicht.
7 zeigt zum einen das empfangene Lichtsignal 120, dessen Phasenlage unbekannt ist. In dem beschriebenen ersten Schritt soll nun lediglich ein Sperrzustand erreicht werden, in dem eine Übereinstimmung der Phasenlage der Kerncodes 160 gesucht wird. Dies wird durch die Erstellung der Auswertesignale 130 basierend auf lediglich einem teilweisen Phasencode 110A durchgeführt, wobei der teilweise Phasencode 110A wie zuvor beschrieben lediglich die Kerncodes 160, nicht jedoch den überlagerten Zusatzcode 170 aufweist.
8A zeigt schematisch das Spektrum eines derartigen Auswertesignals 130. Aufgrund der Bandbreite des Zusatzcodes 170 ergibt sich kein schmaler Peak 150, wie in 5 gezeigt, sondern der Peak 150 ist entsprechend der Bandbreite des Zusatzcodes 170 breiter. Um die Identifizierung des Peaks 150 zu vereinfachen, kann eine Glättung des Spektrums 140 durchgeführt werden. So ist in 8B ein geglättetes Spektrum gezeigt, bei dem die Methode des gleitenden Mittelwerts angewandt wurde. Auf diese Weise lassen sich schmale Störpeaks ausfiltern, wodurch die Identifizierung des durch die Dopplerfrequenz f_D erzeugten Peaks 150 vereinfacht ist. Das verwendete Fenster der Methode des gleitenden Mittelwerts liegt bevorzugt zwischen einem Drittel und vier Dritteln der Bandbreite B_NT des Spektrums des Zusatzcodes 170 und ermöglicht somit eine effektive Filterung.
Somit ist mit Erreichen des Sperrzustands eine Vorab-Dopplerschätzung bekannt. Diese ist aufgrund der Breite des Peaks 150 allerdings noch relativ ungenau. Bezüglich der Zeitverschiebung des empfangenen Lichtsignals 120 und damit der Entfernung d des Objekts 11 lässt sich noch keine eindeutige Aussage treffen, da die Phasenlage des Zusatzcodes 170 weiterhin unbekannt ist. Die tatsächliche Zeitverschiebung τ und damit die wahre Lichtlaufzeit des Ziels ist wie folgt: $τ = d t + m \cdot T_{C C}$
Dabei wurde die Verschiebung dt im zuvor beschriebenen Schritt ermittelt, jedoch ist die Variable m weiterhin unbekannt. In einem zweiten Schritt wird daher die tatsächliche Größe von m ermittelt, was in 9 grafisch gezeigt ist. Wiederum erfolgt die Berechnung einzelner Auswertesignale 130, wobei die zugrundeliegenden Code-Verschiebungen u der bereits bekannten Phasenlage der Kerncodes 160 nun erheblich größere Schritte aufweisen kann. Die Schritte der Code-Verschiebungen u entsprechen der Länge Tcc der Kerncodes 160. Außerdem wird zur Berechnung der Auswertesignale 130 nun der gesamte Phasencode 110, d.h., die Kombination aus Kerncodes 160 und überlagertem Zusatzcode 170 verwendet. Analog zu der zuvor beschriebenen Variante des vollständigen Entfaltungsverfahrens 200 lassen sich somit wiederum die Spektren der einzelnen Auswertesignale 130 ermitteln, um den größten Peak 150 zu identifizieren, der wiederum die Phasenverschiebung und die Dopplerfrequenz f_D final anzeigt. In 9 ist das zugehörige Auswertesignal 130 mit einem dicken Pfeil gekennzeichnet.
Das Verfahren des reduzierten Entfaltens ermöglicht somit eine weniger rechenintensive Identifizierung der Zeitverschiebung des empfangenen Lichtsignals 120. Die Auflösung für Entfernung d und Geschwindigkeit v sind dabei gleich zu dem zuvor beschriebenen vollständigen Entfalten. Gleiches gilt für die Länge der Sendesequenzen und die Bandbreite des Phasencodes 110. Mit dem beschriebenen Verfahren der reduzierten Entfaltung liegt eine Reduktion des Rechenaufwands im Vergleich zum vollständigen Entfalten insbesondere im Bereich von Faktor 3 bis Faktor 10.
Insbesondere ist die Sendeeinheit 3 ausgebildet, Sendesequenzen auszusenden, die bevorzugt zwischen 3 µs und 20 µs lang sind. Dadurch lässt sich eine optimale Frequenzauflösung Δƒ zur Dopplerschätzung bei geringer Messdauer erreichen. Eine typische Bandbreite des Phasencodes 110 des zweiten Abschnitts 102 liegt insbesondere im dreistelligen MHz-Bereich bis hin zu einem Bereich von wenigen GHz. Dies wiederum ermöglicht eine optimale Entfernungsauflösung Δd.
10 zeigt schematisch eine zweite Variante des LiDAR-Sensor-Systems 1 des Fahrzeugs 9 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist die Sendeeinheit 3 analog zu der ersten Variante wie zuvor beschrieben. Ein Unterschied besteht in der Empfangseinheit 4, die in der in 3 dargestellten zweiten Variante einen komplexen Demodulator 18, 19 aufweist.. Außerdem ist eine vorzeichenrichtige Schätzung der Geschwindigkeit v des Objekts 11 ermöglicht. Hierzu ist eine erste Auswerteeinheit 18 für die I-Pfad und eine zweite Auswerteeinheit 19 für den Q-Pfad vorgesehen. Die erste Auswerteeinheit 18 und die zweite Auswerteeinheit 19 weisen dabei jeweils einen eigenen Photodetektor 8a sowie eine eigene Auswertelogik mit Analog-Digital-Umsetzer 8b und digitalem Signalprozessor 8c auf.
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.
11 zeigt eine zusätzliche Möglichkeit der Abschätzung der Dopplerfrequenz f_D. Diese basiert auf den Wiederholungen des Zusatzcodes 170. Wie zuvor beschrieben und in 6 beispielhaft gezeigt, kann der Phasencode 110 vier Wiederholungen derselben Sequenz des Zusatzcodes 170 aufweisen. Diese Wiederholung ermöglicht eine langsame Schätzung der Dopplerfrequenz f_D, da über das wiederholte Intervall stets derselbe Phasenzustand vorliegt. Somit ist lediglich die Dopplerfrequenz f_D sichtbar. Eine solche Schätzung hat die Abtastfrequenz $ƒ_{S T} = \frac{1}{τ_{m a x}}$
Zwar ist diese Abtastfrequenz relativ langsam, allerdings ermöglicht die zusätzliche Dopplerschätzung eine Plausibilisierung der zuvor beschriebenen Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz f_D. Somit kann im Rahmen der Informationsfusion eine höhere Genauigkeit erreicht werden.
In 11 ist das angewandte Verfahren grafisch dargestellt, indem eine FFT-Berechnung über die einzelnen wiederholten Sequenzen hinweg ermittelt wird. Alle diese FFTs können anschließend summiert oder gemittelt werden, wobei ein entsprechender Peak die Schätzung für die Dopplerfrequenz f_D anzeigt.
Zuvor wurde außerdem das Verfahren der reduzierten Entfaltung beschrieben, das in zwei Schritte unterteilt ist. Bei dem ersten Schritt handelt es sich um denjenigen Schritt zum Bestimmen der Verschiebung dt, um somit den zuvor beschriebenen Sperrzustand zu ermitteln. Dies wurde zuvor beschrieben unter Verwendung der Auswertesignale 130 und dem Berechnen der Spektren der Auswertesignale 130. In einer vorteilhaften Alternative hierzu ist vorgesehen, dass anstatt der FFT-Berechnung und damit der Bestimmung der Spektren 140 auch autokorrelationsbasierte Verfahren angewandt werden. Solche Verfahren nutzen die Tatsache aus, dass im Sperrzustand lediglich der langsame Zusatzcode 170 mit bekannter Autokorrelationsfunktion sowie der Dopplerfrequenz im Auswertesignal 130 vorhanden ist. Daher wird anstatt der FFT-Berechnung für jedes Auswertesignal 130 die Autokorrelationsfunktion berechnet. Hierzu sind zwei Varianten vorgesehen:

Eine erste Variante ist in 12 dargestellt. Zunächst wird die Autokorrelationsfunktion 180 des Auswertesignals 130 berechnet. Anschließend wird die Einhüllende 185 dieser Autokorrelationsfunktion 180 ermittelt, wodurch der Einfluss des Dopplers aus der Autokorrelationsfunktion 180 entfernt wird. Danach erfolgt eine Korrelation der Einhüllenden 185 mit der bekannten Autokorrelationsfunktion 190 des Zusatzcodes 170. Dieses Vorgehen wird für alle Auswertesignale 130 durchgeführt, wobei anschließend nach einem Maximum gesucht wird. Besagtes Maximum zeigt die zum Erreichen des Sperrzustands notwendige Verschiebung dt an. In der Darstellung gemäß 12 zeigt die Abszisse die Zeitverschiebung an, während die Ordinate die Amplitude darstellt.

In einer zweiten Alternative erfolgt ebenfalls zunächst die Berechnung der Autokorrelationsfunktion 180 des jeweiligen Auswertesignals 130. Zusätzlich wird die Autokorrelationscharakteristik des Zusatzcodes 170 aus der Autokorrelationsfunktion 180 des Auswertesignals 130 entfernt. Dies ist einfach und aufwandsarm möglich, da die Autokorrelationsfunktion 190 des Zusatzcodes 170 bekannt ist. Dies bedeutet, dass im Falle des Sperrzustands, d.h., wenn das zugehörige Auswertesignal 130 die korrekte Verschiebung dt aufweist, lediglich die Oszillation des Dopplers verbleibt. Über eine FFT-Berechnung lässt sich somit ein Peak suchen, der die Dopplerfrequenz f_D präzise anzeigt und gleichzeitig den Sperrzustand indiziert. Diese Variante bietet somit die Möglichkeit, bereits in der Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz f_D präzise und verlässliche Ergebnisse zu liefern.
Ebenfalls kann der zuvor beschriebene zweite Schritt des Verfahrens der reduzierten Entfaltung alternativ ausgeführt werden. Zuvor wurde beschrieben, dass die finale Bestimmung der Zeitverschiebung basierend auf FFT-Berechnungen von Auswertesignalen 130 erfolgt, wobei die Auswertesignale Code-Verschiebungen aufweisen, die ganze Vielfache der Länge Tcc der Kerncodes 160 sind. Da hierzu mehrere FFT-Vorgänge berechnet werden müssen, lässt sich in der nachfolgend beschriebenen Alternative der Rechenaufwand verringern. Voraussetzung hierzu ist, dass bereits die Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz f_D zuverlässig ist, was beispielsweise mit dem zuvor beschriebenen alternativen ersten Schritt des Verfahrens der reduzierten Entfaltung erreicht werden kann. In diesem Fall lässt sich der zweite Schritt vorteilhafterweise wie folgt ausführen, wobei zwei Varianten beschrieben werden, die allesamt auf Korrelation beruhen:

Zum einen kann ein Mischen des empfangenen Lichtsignals 120 mit einem Oszillationssignal basierend auf der Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz f_D erfolgen. Dadurch wird das empfangene Lichtsignal 120 in DC gemischt. Der Einfluss des Dopplers ist somit entfernt oder zumindest minimiert. Anschließend kann eine Korrelation mit dem Phasencode 110 erfolgen, um somit ohne störenden Einfluss der Dopplerfrequenz f_D auf die Zeitverschiebung zu schließen.

In einer anderen Variante erfolgt eine direkte Korrelation des empfangenen Lichtsignals 120 mit einem dopplerangepassten Phasencode 110. Der Phasencode 110 kann aufgrund der zuverlässigen Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz f_D effektiv dopplerkompensiert werden, um somit die Korrelation mit dem dopplerverschobenen empfangenen Lichtsignal 120 durchführen zu können. Auf diese Weise fällt der Einfluss des Dopplers weg, so dass die Zeitverschiebung effektiv ermittelt werden kann.
Zuvor wurde außerdem beschrieben, dass die Spektren während des ersten Schritts des Verfahrens der reduzierten Entfaltung mittels der Methode des gleitenden Mittelwerts geglättet werden können. Alternativ hierzu lässt sich ein Glätten auch anhand einer Mustererkennung durchführen. Da die Glättung auf dem Effekt beruht, dass die Dopplerfrequenz f_D nicht als schmaler Peak 150 im Spektrum 140 vorhanden ist, sondern vielmehr die Bandbreite des Zusatzcodes 170 besagten Peak 150 verbreitert, kann diese verbreiterte Peak 150 auch als Muster angesehen werden. Beispielsweise kann die Detektion des besagten Peaks 150 durch Faltung mit dem Spektrum des Zusatzcodes 170 erfolgen. Alternativ kann auch eine Faltung mit Wavelets erfolgen. Solche faltungsbasierten Ansätze sind teilweise rechenaufwändiger als das zuvor beschriebene Verfahren, ermöglichen aber eine verbesserte Detektionsperformance und damit Bestimmung der Dopplerfrequenz f_D.
Ein weiterer Vorteil des LiDAR-Sensor-Systems 1 liegt darin, dass die Detektion mehrerer Ziele 11 ermöglicht ist. Würden mehrere Ziele 11 von einer Sendesequenz getroffen werden, so lassen sich mehrere Dopplerfrequenzen f_D ermitteln. Die einzelnen Entfernungen d der verschiedenen Objekte 11 lassen sich dann iterativ auf Basis des vollständigen Entfaltungsverfahrens 200 oder der Methode der reduzierten Entfaltung auflösen. Das LiDAR-Sensor-System 1 ermöglicht somit ein zuverlässiges Unterscheiden von mehreren Objekten 11, wobei die einzelnen Entfernungen d dieser Objekte 11 von dem LiDAR-Sensor-System 1 zuverlässig ermittelt werden können.
13 zeigt eine Gesamtübersicht über die Methode der reduzierten Entfaltung, wobei auch sämtliche zuvor beschriebenen Alternativen dargestellt sind. Wie zuvor beschrieben, unterteilt sich diese Methode in einem ersten Schritt 300 und einem zweiten Schritt 400, wobei der erste Schritt 300 zum Auffinden des Sperrzustands und zur Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz f_D vorgesehen ist. Der zweite Schritt 400 dient zum finalen Ermitteln der Zeitverschiebung und damit der Entfernung d des Objekts 11. Zusätzlich kann im zweiten Schritt 400 die Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz f_D präzisiert werden.
Der erste Schritt 300 geht, wie zuvor beschrieben, lediglich von einem teilweisen Phasencode 100A aus, der den Zusatzcode 170 nicht beinhaltet. Ebenso geht der erste Schritt 300 von dem empfangenen Lichtsignal 120 aus. Der teilweise Phasencode 110A wird in einem Verschiebeschritt 310 um eine Code-Verschiebung u verschoben, wobei durch die Initialisierung 320 die initiale Code-Verschiebung zu Null gesetzt wird. Der um u verschobene teilweise Phasencode 110A wird in einem anschließenden Multiplikationsschritt 330 mit dem empfangenen Lichtsignal 120 multipliziert. Auf diese Weise entsteht ein Auswertesignal 130.
In einem ersten Entscheidungsschritt 340 kann nun entschieden werden, mit welcher Variante das Verfahren fortgesetzt werden soll. Gemäß einer ersten Variante ist wie zuvor beschrieben eine FFT-Berechnung 341 möglich, während gemäß einer zweiten Variante wie zuvor beschrieben eine Autokorrelationsfunktions-Berechnung 342 möglich ist. Wird die FFT-Berechnung 341 durchgeführt, so ist ein Spektrum 140 vorhanden. In einem zweiten Auswahlschritt 350 kann nun entschieden werden, wie besagtes Spektrum 140 geglättet werden soll. Hierzu kann zum einen die Methode des gleitenden Mittelwerts 351 verwendet werden, alternativ kann auch die Mustererkennung 352 verwendet werden. Die entsprechenden Möglichkeiten wurden zuvor beschrieben.
Wird hingegen die Autokorrelationsfunktions-Berechnung 342 durchgeführt, so kann gemäß einem dritten Auswahlschritt 360 wiederum aus zwei Varianten gewählt werden. Gemäß einer ersten Variante kann ein Berechnungsschritt 361 zum Berechnen der Einhüllenden durchgeführt werden, um anschließend in einem Korrelationsschritt 362 eine Korrelation mit der Autokorrelationsfunktion des Zusatzcodes 170 durchzuführen. Gemäß einer zweiten Alternative erfolgt ein Entfernungsschritt 363 des Einflusses des Zusatzcodes 170 und eine anschließende FFT-Berechnung 364. Auch diese Varianten wurden zuvor beschrieben.
Alle diese Varianten des zweiten Auswahlschritts 350 und des dritten Auswahlschritts 360 enden in einem Speicherschritt 370, in dem die aufgefundenen Spektren 140 oder Ergebnisse der Autokorrelation gespeichert werden.
Diese Schritte werden wiederholt für alle möglichen Code-Verschiebungen u. Somit durchläuft die Code-Verschiebung von u = 0 bis u_max= f_sT_CC, wobei f_s Abtastrate des ADC und Tcc die Länge der Kerncodes 160 ist. Somit erfolgt in einem Abfrageschritt 380 die Abfrage, ob die Code-Verschiebung u bereits den Maximalwert u_max erreicht hat. Ist dies nicht der Fall, so wird die Code-Verschiebung u inkrementiert und es wird ein neues Auswertesignal 130 erstellt. Wird der Auswerteschritt 380 bejaht, so wurden alle möglichen Code-Verschiebungen u berücksichtigt. Daher lässt sich aus den gespeicherten Spektren 140 oder Werten ein Peak-Detektionsschritt 390 durchführen, um den maximalen Peak über alle Spektren 140 oder Werte zu ermitteln. Der ermittelte Peak zeigt eine Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz f_Dan und ermöglicht die Ermittlung des Sperrzustands wie zuvor beschrieben. Damit ist der erste Schritt 300 beendet.
Bevor der zweite Schritt 400 beginnt, kann durch Informationsfusion 520 eine zusätzliche Dopplerschätzung 510 eingekoppelt werden. Hierbei handelt es sich um die zuvor beschriebene langsame Dopplerschätzung, basierend auf den Wiederholungen der eindeutigen Sequenz des Zusatzcodes 170. Anschließend wird der zweite Schritt der Methode des reduzierten Entfaltens durchgeführt.
Wurden mehrere Objekte 11 in der Umgebung 10 detektiert, d.h., sind mehrere Dopplerfrequenzen f_D vorhanden, so wird in einem Zielunterscheidungsschritt 410 zunächst eines der Ziele 11 ausgewählt. Anschließend erfolgt ein Abfrageschritt 420, ob zuvor eine verlässliche Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz f_D durchgeführt wurde. Dies ist beispielsweise bei dem zuvor beschriebenen Berechnungsschritt 363der Fall. Auch liegt eine verlässliche Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz f_D dann vor, wenn die Zusatzdopplerschätzung 510 durchgeführt wurde. Ist die Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz f_D nicht verlässlich, so wird ein spektrumbasierter Zweig 430 des Verfahrens gewählt. Ist hingegen die Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz f_Dverlässlich, so wird ein korrelationsbasierter Zweig 440 des Verfahrens gewählt.
In dem spektrumbasierten Zweig 430 wird von dem vollständigen Phasencode 110 sowie dem empfangenen Lichtsignal 120 ausgegangen. Eine Verschiebung des Phasencodes 110 erfolgt in einem Verschiebeschritt 431, um eine zusätzliche Code-Verschiebung v, wobei diese in einem Initialisierungsschritt 432 zu der im ersten Schritt 300 aufgefundenen Verschiebung dtgesetzt wird. Somit ist der Sperrzustand erreicht, in dem die Kerncodes 160 von Phasencode 110 und empfangenen Lichtsignal 120 identische Phasenlagen aufweisen. Die Verschiebung v erfolgt somit in Schritten mit der Länge Tcc der Kerncodes 160.
Der entsprechend verschobene Phasencode 110 wird in einem Multiplikationsschritt 433 mit dem empfangenen Lichtsignal 120 multipliziert. Auf diese Weise entsteht wieder ein Auswertesignal 130. Anschließend erfolgt ein FFT-Berechnungsschritt 434, wobei das entstehende Spektrum 140 gespeichert wird. Da auch dieser Schritt für eine Vielzahl von Auswertesignalen 130 durchgeführt werden soll, wird in einem Abfrageschritt 435 überprüft, ob die Verschiebung v bereits die maximale Verschiebung f_sτ_max erreicht hat. Ist dies nicht der Fall, so wird eine Laufvariable m, die anfangs zu Null gesetzt ist, inkrementiert und die Verschiebung v wird in einem Berechnungsschritt 436 wie folgt neu berechnet: $v = d t + m T_{C C}$
Auf diese Weise erfolgt eine Verschiebung wie zuvor beschrieben stets um eine gesamte Länge Tcc der Kerncodes 160. Dadurch ist die Berechnung der Spektren 140 schnell und aufwandsarm durchführbar. Ist hingegen im Abfrageschritt 435 festgestellt, dass die maximale Verschiebung von v erreicht wurde, so wird ein Peak-Detektionsschritt 437 durchgeführt, um die Dopplerfrequenz f_D final zu vermitteln. Die führt, wie zuvor beschrieben, zusätzlich zur Ermittlung der Zeitverschiebung des empfangenen Lichtsignals 120. In einem finalen Bestimmungsschritt 450 lassen sich somit die Entfernung d und die Geschwindigkeit v, zumindest betragsmäßig, ermitteln.
Wird der korrelationsbasierte Zweig 440 gewählt, so erfolgt die dopplerkompensierte Korrelation 441 wie zuvor beschrieben. Auch hier erfolgt ein Peak-Detektionsschritt 442, der im finalen Bestimmungsschritt 450 zur Ermittlung von Entfernung d und zumindest betragsmäßiger Geschwindigkeit v des Objekts 11 führt.
In einer letzten Abfrage 460 wird überprüft, ob alle vorhandenen Ziele 11 behandelt wurden. Ist dies nicht der Fall, so wird das Verfahren beginnend mit dem Schritt 410 fortgesetzt, um ein neues Ziel 11 auszuwählen. Wurden hingegen alle vorhandenen Ziele bearbeitet, so endet das Verfahren.
Die Auswerteeinheit 8 ist ausgebildet, das Verfahren gemäß 13 auszuführen. Somit kann die Auswerteeinheit rasch und zuverlässig eine Entfernung d und eine, zumindest betragsmäßige, Geschwindigkeit v des Objekts 11 in der Umgebung 10 des LiDAR-Sensor-Systems 1 ermitteln.
14 zeigt schließlich eine weitere Variante des LiDAR-Sensor-System 1, wobei in diesem Fall dieselbe Empfangseinheit 4 wie in 2 verwendet wird. Die Sendeeinheit 3 unterscheidet sich dadurch, dass eine Parallelisierung erfolgt. Durch eine solche Parallelisierung eignet sich das LiDAR-Sensor-System 1 insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen. Dabei werden mehrere Sendepixel mit dem gleichen Empfangskanal verarbeitet, wodurch Kosten eingespart werden.
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.
Die Sendeeinheit 3 kann somit gleichzeitig mehrere Sendesequenzen aussenden, wobei in 11 beispielhaft die Möglichkeit zum parallelen Aussenden von drei Sendesequenzen gegeben ist. Alle diese Sendesequenzen unterscheiden sich in dem durch den jeweiligen Phasenmodulator 7a, 7b, 7c aufgebrachten Phasencode 110, da die Codierungen der Sendesequenzen jeweils orthogonal zu den anderen parallel ausgesandten Sendesequenzen ist.
In 14 ist, wie zuvor beschrieben, beispielhaft dargestellt, dass alle diese ausgesandten Sendesequenzen über eine gemeinsame Empfangsoptik 6 und eine gemeinsame Auswerteeinheit 8 empfangen und ausgewertet werden. Hier kann alternativ eine Vielzahl von Empfangsoptiken 6 und/oder Auswerteeinheiten 8 vorgesehen sein, so dass jede parallel erzeugte Sendesequenz auch über einen eigenen Empfangskanal, d.h., über eine eigene Empfangsoptik 6 sowie eine eigene Auswerteeinheit 8, bearbeitet werden kann.
Die spätere Auswertung in der Auswerteeinheit 8 kann entweder basierend auf dem vollständigen Entfaltungsverfahren 200 oder auf der Methode der reduzierten Entfaltung 300, 400 erfolgen. Wird die Methode der reduzierten Entfaltung 300, 400 verwendet, so sind die Phasencodes 110 wie zuvor beschrieben durch Überlagerung von Kerncodes 160 und Zusatzcodes 170 zu bilden. Somit ergeben sich mehrere Möglichkeiten, wie die Phasencodes 110 orthogonal zueinander codiert werden können:

In einer Variante werden Phasencodes verwendet, die jeweils orthogonale Kerncodes 160 aufweisen. Die Zusatzcodes 170 der einzelnen Phasencodes 110 können identisch sein, sind bevorzugt aber unterschiedlich. Diese Variante ist in 15 am Beispiel von zwei Kanälen, d.h., am Beispiel von zwei parallel ausgesandten Sendesequenzen dargestellt.

Für zwei parallele Kanäle ergibt sich jedes Auswertesignal 130 im ersten Schritt 300, d.h., bei Berücksichtigung lediglich der Kerncodes 160 und unter Weglassung des Zusatzcodes 170 wie folgt: $\begin{array}{l} r (k, u) = [{\hat{A}}_{1} \cdot cos (ω_{D} k T_{S} + ω_{0} τ_{1} - {rep}_{T_{C C}} (Φ_{C C 1} (k T_{S} - τ_{1})) - Φ_{N T 1} (k T_{S} - τ_{1})) \\ + {\hat{A}}_{2} \cdot cos (ω_{D} k T_{S} + ω_{0} τ_{2} - {rep}_{T_{C C}} (Φ_{C C 2} (k T_{S} - τ_{2})) - Φ_{N T 2} (k T_{S} - τ_{2}))] \end{array}$
Es muss nun eine Entfaltung für jeden der verwendeten Kerncodes 160 vorgenommen werden. Für den Fall mit zwei Kanälen ergibt sich somit ein erstes Entfalten 610 und ein zweites Entfalten 620, wobei das erste Entfalten 610 mathematisch wie folgt dargestellt wird: $\times cos ({rep}_{T_{C C}} (Φ_{C C 1} ((k - u) T_{S})))$
Das zweite Entfalten 620 lässt sich mathematisch wie Folgt darstellen: $\times cos ({rep}_{T_{C C}} (Φ_{C C 2} ((k - u) T_{S})))$
Auf diese Weise lassen sich die verschiedenen Kanäle unterscheiden. Die dargestellten Spektren 140 zeigen somit die unterschiedlichen Peaks 150, deren Breite durch die entsprechenden Zusatzcodes 170 bedingt sind.
In einer zweiten Variante werden Phasencodes 110 mit identischen Kerncodes 160 verwendet. Hier sind die Zusatzcodes 170 der parallel ausgesandten Sendesequenzen orthogonal zueinander codiert. Diese Variante ist in 16 dargestellt. 16 zeigt wiederum das Beispiel von zwei Kanälen, d.h., von zwei parallel ausgesandten Sendesequenzen und somit zwei verschiedene Phasencodes 110.
Da in diesem Fall die Kerncodes 160 stets identisch sind, lässt sich der zuvor beschriebene erste Schritt 300 der Methode des reduzierten Entfaltens wie zuvor beschrieben durchführen, wobei in diesem Schritt für alle Kanäle der entsprechende Sperrzustand aufgefunden wird. Besagter Sperrzustand ist für alle Kanäle identich, da identische Kerncodes 160 verwendet wurden.
Allerdings wird im Schritt 400 der Methode des reduzierten Entfaltens eine Unterscheidung vorgenommen. Hier werden die unterschiedlichen Zusatzcodes berücksichtigt, um die empfangenen Lichtsignale 120 den jeweiligen Kanälen zuordnen zu können. Der einfachste Fall ist dabei ein interatives Vorgehen, wo basierend auf jedem detektierten Sperrzustand jeder Zusatzcode 170 probiert wird.
In einer Alternative zur Reduzierung von Rechenoperationen werden bevorzugt solche Zusatzcodes in den Phasencodes 110 verwendet, die sich bereits im ersten Schritt 300 der Methode des reduzierten Entfaltens unterscheiden lassen. Dies erfolgt insbesondere durch eine individuelle Bandbreite der Zusatzcodes 170, wie dies auch in 16 gezeigt ist. 16 geht wiederum von den Auswertesignalen 130 im ersten Schritt 300 der Methode des reduzierten Entfaltens aus. Diese lassen sich wie zuvor mit Bezug auf 15 dargestellt mathematisch beschreiben. Erfolgt nun eine Entfaltung 700 mit dem Kerncode 160, so ergibt sich für den oberen Zweig 710: $\times cos ({rep}_{T_{C C}} (Φ_{C C} (k T_{S} - τ_{1})))$
Für den unteren Zweig 720 ergibt sich: $\times cos ({rep}_{T_{C C}} (Φ_{C C} (k T_{S} - τ_{2})))$
Wie in den Spektren 140 dargestellt, lassen sich die Peaks 150 in ihrer Breite unterscheiden, da die unterschiedlichen Breiten durch die unterschiedlichen Bandbreiten der Zusatzcodes 170 bedingt sind. Auf diese Weise ist bereits im ersten Schritt 300 der Methode des reduzierten Entfaltens eine Unterscheidung der einzelnen Kanäle ermöglicht.
Das LiDAR-Sensor-System 1 erlaubt somit eine sichere und zuverlässige Ermittlung von Entfernung d und Geschwindigkeit v, zumindest eines Betrags der Geschwindigkeit v, eines Objekts 11 in der Umgebung des LiDAR-Sensor-Systems 1. Dabei ist sowohl die Möglichkeit der Parallelisierung als auch die Möglichkeit der Detektion mehrerer Objekte 11 gegeben. Außerdem ist ein Aufbau des LiDAR-Sensor-Systems 1 einfach und aufwandsarm ermöglicht. Somit eignet sich das LiDAR-Sensor-System 1 aufgrund seiner geringen Herstellungskosten optimal für die Verwendung in Fahrzeugen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018/144853 A1 [0002]

Claims

LiDAR-Sensor-System (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-Sensor-Systems (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 des Lichts auszusenden, • wobei jede Sendesequenz einen durch den Phasenmodulator (7) aufgebrachten Phasencode (110) aufweist, und • wobei die Auswerteeinheit (8) ausgebildet ist, ◯ für eine Vielzahl von vordefinierten Code-Verschiebungen (u) jeweils ein Auswertesignal (130) zu erstellen durch eine Multiplikation eines empfangenen Lichtsignals (120) mit dem, mit jeweils einer der vordefinierten Code-Verschiebungen (u) verschobenen, Phasencode (110), ◯ aus den Auswertesignalen (130), insbesondere den Spektren (140) der Auswertesignale (130), eine Dopplerfrequenz (f_D) zu ermitteln, und ◯ anhand der Dopplerfrequenz (f_D) und der vordefinierten Code-Verschiebung (u) des die Dopplerfrequenz (f_D) aufweisenden Auswertesignals (130) eine Entfernung (d) zu dem Objekt (11) zu bestimmen.
LiDAR-Sensor-System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) ausgebildet ist, für alle möglichen Code-Verschiebungen (u) jeweils ein Auswertesignal (130) zu erstellen.
LiDAR-Sensor-System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Phasencode (110) eine Vielzahl von identischen Kerncodes (160) aufweist, wobei die Kerncodes (160) gemäß einem überlagerten Zusatzcode (170) entweder invertiert oder nicht invertiert sind, wobei die Auswerteeinheit (8) ausgebildet ist, zunächst die Auswertesignale (130) unter Weglassung des in dem Phasencode (110) vorhandenen Zusatzcodes (170) zu erstellen, um anhand der Auswertesignale (130) eine Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz (f_D) vorzunehmen und anschließend die Auswertesignale (130) unter Berücksichtigung des gesamten Phasencodes (110) zu erstellen, um die finale Dopplerfrequenz (f_D) und Entfernung (d) zu dem Objekt (11) zu bestimmen.
LiDAR-Sensor-System (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz (f_D) anhand der Spektren der Auswertesignale (130) und/oder anhand einer Autokorrelation der Auswertesignale (130) durchzuführen.
LiDAR-Sensor-System (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzcode (170) über eine vordefinierte maximale Lichtlaufzeit des LiDAR-Sensor-Systems (1) eindeutig ist, wobei vorteilhafterweise der über die vordefinierte maximale Lichtlaufzeit eindeutige Zusatzcode (170) bis zur Länge der Sendesequenz wiederholt ist.
LiDAR-Sensor-System (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) ausgebildet ist, durch einen Vergleich der einzelnen Wiederholungen des Zusatzcodes (170) im empfangenen Lichtsignal (120) eine zusätzliche Ermittlung der Dopplerfrequenz (f_D) durchzuführen.
LiDAR-Sensor-System (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) ausgebildet ist, anhand der Vorab-Schätzung der Dopplerfrequenz (f_D) eine Dopplerkompensation des Phasencodes (110) oder des empfangenen Lichtsignals (120) durchzuführen, um die Entfernung (d) zu dem Objekt (11) anhand einer Korrelation der, unter Berücksichtigung des gesamten Phasencodes (110) erstellten, Auswertesignale (130) mit dem empfangenen Lichtsignal (120) zu ermitteln.
LiDAR-Sensor-System (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) ausgebildet ist, die Spektren (160) der Auswertesignale (130) mittels der Methode des gleitenden Mittelwerts und/oder durch Musterabgleich zu glätten.
LiDAR-Sensor-System (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kerncode (160) eine höhere Frequenz aufweist als der Zusatzcode (170).
LiDAR-Sensor-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) ein einfacher Demodulator ist oder einen komplexen Demodulator (18, 19) aufweist.
LiDAR-Sensor-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) einen Photodetektor (8A) sowie eine Auswertelogik, insbesondere einen Analog-Digital-Umsetzer (8B) und einen digitalen Signalprozessor (8C), aufweist.
LiDAR-Sensor-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendesequenz ein eindeutiger Code ist, wobei die Codes eine eindeutige Autokorrelationsfunktion besitzen.
LiDAR-Sensor-System (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Codes um Biphasen-Codes, insbesondere um Barker-Codes oder um Maximalfolgen oder um Gold-Codes oder um Kasami-Codes handelt.
LiDAR-Sensor-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit (3) mehrere parallele Phasenmodulatoren (7A, 7B, 7C) aufweist, um mehrere Sendesequenzen parallel auszusenden, wobei parallel ausgesandte Sendesequenzen durch die jeweiligen Phasenmodulatoren (7A, 7B, 7C) orthogonal zueinander codiert sind.
Fahrzeug (9) aufweisend ein LiDAR-Sensor-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.