DE102021101139A1

DE102021101139A1 - Lichtdetektionssystem und verfahren dafür

Info

Publication number: DE102021101139A1
Application number: DE102021101139.6A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Maierbacher; Bernhard Siessegger
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2021-01-20
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2022-07-21
Also published as: US20240302507A1; WO2022156975A1

Abstract

Gemäß verschiedenen Aspekten wird ein Lichtdetektionssystem (100, 300a-300e, 400a-400d) bereitgestellt, das Lichtdetektionssystem (100, 300a-300e, 400a-400d) aufweisend: einen Detektor (102, 202, 302, 402a-402d) eingerichtet zum Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals (104, 204-2); und eine Verarbeitungsschaltung (106, 240, 340a-340e, 404) eingerichtet zum: Bereitstellen einer Mehrzahl von verzweigten Signalen (108, 210), wobei jedes der verzweigten Signale (108, 210) repräsentativ für das empfangene Lichtsignal (104, 204-2) ist; und Kombinieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen (108, 210) miteinander, um ein kombiniertes Signal (110, 218) bereitzustellen, wobei sich die Mehrzahl von verzweigten Signalen (108, 210) derart voneinander unterscheiden, dass sich als Ergebnis der Kombination jeweilige Signalkomponenten (108s) der Mehrzahl von verzweigten Signalen (108, 210) in einer konstruktiven Weise kombinieren und jeweilige Rauschkomponenten (108n) der Mehrzahl von verzweigten Signalen (108, 210) in einer zumindest teilweise destruktiven Weise kombinieren.

Description

Verschiedene Aspekte betreffen ein Lichtdetektionssystem und Verfahren dafür (z.B. ein Verfahren zum Detektieren eines Lichtsignals), und verschiedene Aspekte betreffen ein LIDAR-System („Light-Detection-And-Ranging“) aufweisend ein Lichtdetektionssystem.
Lichtdetektion und Abstandsmessung sind eine Erfassungstechnik, welche beispielsweise in dem Gebiet des autonomen Fahrens verwendet wird, um detaillierte Informationen über die Umgebung eines automatisierten oder teilweise automatisierten Fahrzeugs bereitzustellen. Licht wird verwendet, um eine Szene abzutasten, und die Eigenschaften (z.B. die Lage, die Geschwindigkeit, die Bewegungsrichtung und dergleichen) der darin vorhandenen Objekte zu ermitteln. Ein LIDAR-System verwendet üblicherweise die Laufzeit (ToF) des emittierten Lichts, um den Abstand zu einem Objekt zu messen. Ein herkömmliches System zum direkten Messen von Laufzeit kann einen einzigen Laserpuls für eine Abstandsmessung verwenden. Der Laserpuls kann eine hohe Spitzenleistung haben, um ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) bereitzustellen, und eine kurze Dauer haben, um Augensicherheit zu gewährleisten. Diese Eigenschaften des Laserpulses führen zu strengen Betriebsanforderungen für eine Laserdiode und einen Lasertreiber, welche zum Generieren des Laserpulses verwendet werden. Die Laserdiode muss extrem hohen Spitzenströmen standhalten, und der Lasertreiber muss sehr schnell und hocheffizient sein (anschaulich mit geringem Leistungsverlust). Diese Betriebsanforderungen führen zu einem hochkomplexen und teuren System, bei dem die parasitären Effekte gut kontrolliert werden müssen.
Verschiedene Aspekte betreffen ein einfaches und kosteneffizientes Detektionsschema zur Verbesserung (z.B. Erhöhung) des mit einem detektierten Lichtsignal assoziierten Signal-Rausch-Verhältnisses. Das Detektionsschema kann auf einem Kombinieren einer Mehrzahl von Repräsentationen des detektierten Lichtsignals miteinander basieren derart, dass eine mit dem Lichtsignal assoziierte Signalkomponente verstärkt wird in Bezug auf eine mit dem Lichtsignal assoziierte Rauschkomponente. Die Kombination (z.B. die Summenbildung oder Überlagerung) basiert auf einer Anpassung der verschiedenen Repräsentationen des detektierten Lichtsignals in einer Weise, welche eine konstruktive Kombination der jeweiligen Signalkomponenten und eine zumindest teilweise destruktive Kombination der jeweiligen Rauschkomponenten bereitstellt. Die Verstärkung der Signalkomponente, welche mittels des hierin beschriebenen Detektionsschemas bereitgestellt wird, kann dazu führen, dass ein Lichtsignal verwendet wird (z.B. für Abstandsmessung), welches im Vergleich zu einem herkömmlichen Abstandsmessungssignal eine geringere Spitzenleistung hat und eine längere Dauer hat. Das Lichtsignal kann daher einfacher zu generieren sein (z.B. hinsichtlich einer geringeren Systemkomplexität und niedrigerer Kosten), während es eine gleiche Energie wie ein herkömmliches Abstandsmessungssignal beibehält. Das Detektionsschema kann gewährleisten, dass das Signal-Rausch-Verhältnis am Detektor ausreichend ist, um das Lichtsignal vom Rauschen zu unterscheiden. Das hierin beschriebene Detektionsschema kann beispielsweise für Zeit-Digital-Wandlungsarchitekturen vorgesehen sein.
In einigen Aspekten kann das Detektionsschema aufweisen ein Modifizieren der verschiedenen Repräsentationen des detektierten Lichtsignals derart, dass sie sich voneinander unterscheiden, um als Ergebnis der Kombination die gewünschte Verstärkung der resultierenden Signalkomponente in Bezug auf der resultierenden Rauschkomponente bereitzustellen. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung kann die Modifikation einer Repräsentation des detektierten Lichtsignals ein Verzögern dieser Repräsentation (z.B. in Bezug auf eine andere Repräsentation, oder in Bezug auf einen Referenzpunkt) aufweisen. Anschaulich kann eine geeignet ausgewählte Verzögerung (oder eine Mehrzahl von geeignet ausgewählten Verzögerungen) die gewünschte konstruktive Kombination der Signalkomponenten und die gewünschte destruktive Kombination der Rauschkomponenten bereitstellen. Es versteht sich jedoch, dass das Verzögern einer Repräsentation nur ein Beispiel einer möglichen Modifikation ist, um die hierein beschriebene Wirkung bereitzustellen, und dass auch andere geeignet ausgewählte Modifikationen möglich sein können. Als ein weiteres Beispiel kann eine Modifikation eine Skalierung der Repräsentation (z.B. hinsichtlich der Amplitude) aufweisen, z.B. mittels geeignet ausgewählten Skalierungsfaktoren.
Verschiedene Aspekte betreffen ein Lichtdetektionssystem, das eingerichtet ist, das hierin beschriebene angepasste Detektionsschema durchzuführen, z.B. die angepasste Verarbeitung eines Lichtsignals. Das Lichtdetektionssystem kann eingerichtet sein zum Verstärken einer Signalkomponente eines detektierten Lichtsignals mittels Modifizierens einer Mehrzahl von Repräsentationen des detektierten Lichtsignals und mittels Kombinierens dieser miteinander derart, dass eine konstruktive Kombination der jeweiligen Signalkomponenten und eine zumindest teilweise destruktive Kombination der jeweiligen Rauschkomponenten bereitgestellt wird. Das hierin beschriebene Lichtdetektionssystem kann mit einer relativ niedrigen Systemkomplexität implementiert werden, z.B. ohne dass teure Bauteile erforderlich sind (z.B. kann das Lichtdetektionssystem ohne einen Hochgeschwindigkeits-Analog-Digital-Wandler funktionieren).
Das hierin beschriebene Detektionsschema kann die Ausnutzung von über lange Pulsdauern verteilter Leistung durch Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses auf der Detektorseite ermöglichen. In einigen Aspekten kann das Detektionsschema mit Multipulssystemen (mit bekannter oder unbekannter Pulskonfiguration) verwendet werden. Ein Multipulssystem kann beispielsweise ein System aufweisen, das in der Lage ist, die Ausgangsleistung zu modulieren und/oder zu steuern (anschaulich können mehr Pulse mehr Ausgangsleistung liefern). Als weiteres Beispiel kann ein Multipulssystem ein System aufweisen, das eine Verringerung des Übersprechens ermöglicht, z.B. unter Verwendung gegenseitig optimierter Multipulssignale mit guten Autokorrelations- und/oder Kreuzkorrelationseigenschaften. Als ein weiteres Beispiel kann ein Multipulssystem ein System aufweisen, das die Milderung von Fremdsignalen ermöglicht, z.B. mittels Identifizierens der Signaturen seiner eigenen Signale. Als ein weiteres Beispiel kann ein Multipulssystem ein System aufweisen, das zur „Zwischen-Systemen“-Signalisierung und Datenkommunikation fähig ist, z.B. mittels Kodierens von Daten auf Multipulssignale. Als ein weiteres Beispiel kann ein Multipulssystem ein System aufweisen, das Multipulssignale zur Kanalschätzung verwendet.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung kann „gute Autokorrelationseigenschaften“ verwendet werden, um ein Signal zu beschreiben, das eine Kreuzkorrelation unterhalb eines vorbestimmten Autokorrelationsschwellenwerts bereitstellt, wenn das Signal mit einer verschobenen Version seiner selbst korreliert wird (z.B. einer zeitverschobenen oder verzögerten Version seiner selbst, anschaulich mit einer Zeitverschiebung anders als 0). Der Autokorrelationsschwellenwert kann je nach der beabsichtigten Anwendung ausgewählt werden. Beispielsweise kann der Autokorrelationsschwellenwert kleiner als 0,5 sein, z.B. kleiner als 0,1, beispielsweise im Wesentlichen 0. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung kann „gute Kreuzkorrelationseigenschaften“ verwendet werden, um ein Signal zu beschreiben, das eine Kreuzkorrelation unterhalb eines vorbestimmten Kreuzkorrelationsschwellenwerts bereitstellt, wenn das Signal mit einem anderen Signal (anschaulich mit einem verschiedenen Signal) kreuzkorreliert wird. Der Kreuzkorrelationsschwellenwert kann je nach der beabsichtigten Anwendung ausgewählt werden. Beispielsweise kann der Kreuzkorrelationsschwellenwert kleiner als 0,5 sein, beispielsweise kleiner als 0,1, beispielsweise im Wesentlichen 0. Das Signal kann beispielsweise eine Repräsentation eines empfangenen Lichtsignals sein, z.B. ein verzweigtes Signal, wie unten noch detaillierter beschrieben wird.
Die Begriffe „Repräsentation“ oder „repräsentativ für“ können hierin verwendet werden, um ein Signal (z.B. ein Spannungssignal oder ein Stromsignal) zu beschreiben, das ein anderes Signal (z.B. ein Lichtsignal) „repräsentiert“. Ein Signal, das eine Repräsentation eines anderen Signals ist, kann gleiche Signalmerkmale (z.B. gleiche Peaks (Spitzen), gleiche Täler, usw.) aufweisen wie das andere Signal. Anschaulich kann ein Signal, das eine Repräsentation eines anderen Signals ist, so verstanden werden, dass es die Signalmerkmale des anderen Signals repliziert oder die Signalmerkmale des anderen Signals so kodiert, dass beim Dekodieren des Signals das andere Signal erzielt werden kann.
Der Begriff „verzweigte Signale“ kann hierin verwendet werden, um eine Mehrzahl von Signalen zu beschreiben, die über eine Mehrzahl von Verarbeitungswegen (in anderen Worten, eine Mehrzahl von Verarbeitungsleitungen) verteilt sind. Ein „verzweigtes Signal“ kann mit einem jeweiligen Verarbeitungsweg assoziiert sein, z.B. kann es sich entlang des jeweiligen Verarbeitungswegs ausbreiten, und ein anderes „verzweigtes Signal“ kann mit einem anderen Verarbeitungsweg assoziiert sein. Die Mehrzahl von „verzweigten Signalen“ können am Anfang des jeweiligen Verarbeitungswegs gleich sein und sich am Ende des jeweiligen Verarbeitungswegs voneinander unterscheiden. Anschaulich kann der Begriff „verzweigt“ die Verteilung (in anderen Worten, die Zuweisung) eines selben Signals auf eine Mehrzahl von Verarbeitungswegen beschreiben, um eine unterschiedliche Verarbeitung bereitzustellen. Ein „verzweigtes Signal“ kann hierin auch als „verteiltes Signal“, „unterteiltes Signal“ oder „verarbeitetes Signal“ bezeichnet werden.
Die Begriffe „kombinieren“ oder „Kombination“ können hierin verwendet werden, um eine Operation zu beschreiben, in der eine Mehrzahl von Signalen (z.B. eine Mehrzahl von verzweigten Signalen) als Eingabe verwendet wird, um ein einziges (kombiniertes) Signal als Ausgabe bereitzustellen. Das „Kombinieren“ einer Mehrzahl von Signalen, wie es hierin verwendet, kann derart verstanden werden, dass es jede geeignete Operation aufweist, um eine „kombinierte“ Ausgabe aus einer Mehrzahl von Signalen bereitzustellen. In einigen Aspekten kann das „Kombinieren“ einer Mehrzahl von Signalen miteinander ein Überlagern der Mehrzahl von Signalen miteinander oder ein Addieren der Mehrzahl von Signalen miteinander aufweisen.
Die Begriffe „Verzögerung“, „verzögern“, „Zeitverschiebung“ oder „zeitliches Verschieben“ können hierin verwendet werden, um eine Operation an einem Signal zu beschreiben, die die Merkmale dieses Signals (z.B. die Peaks (die Pulse), die Täler, usw.) zeitlich in Bezug auf einen Referenzpunkt (z.B. in Bezug auf ein anderes Signal) verschiebt. Anschaulich können ein erstes Signal und ein zweites Signal gleich sein, und nach dem „Verzögern“ oder dem „zeitlichen Verschieben“ des ersten Signals in Bezug auf das zweite Signal können die Signalmerkmale des ersten Signals in Bezug auf die Signalmerkmale des zweiten Signals zeitlich verschoben sein.
Die Begriffe „Signalkomponente“ und „Rauschkomponente“ können hierin verwendet werden, um die Elemente eines Signals (z.B. eines Lichtsignals, eines verzweigten Signals, eines kombinierten Signals, usw.) zu beschreiben. Eine „Signalkomponente“ kann als ein Element (oder eine Mehrzahl von Elementen, in anderen Worten, ein oder mehrere Signalmerkmale) verstanden werden, das absichtlich im Signal vorhanden ist. Anschaulich kann eine „Signalkomponente“ den Teil des Signals aufweisen, der für eine gewünschte Operation (z.B. Abstandsmessung, Kanalschätzung, usw.) verwendet wird (oder verwendet werden soll). Eine „Rauschkomponente“ kann als ein Element verstanden werden, das unerwünscht im Signal vorhanden ist, z.B. das aus verschiedenen Rauschquellen resultiert, die das Signal während der Ausbreitung (z.B. während des Laufens zu einem Detektor) begegnen kann. Eine „Rauschkomponente“ kann beispielsweise thermisches Rauschen, Schrotrauschen, Rauschen aufgrund von Sonnenlicht, Rauschen aufgrund von Licht aus „fremden“ Lichtquellen (z.B. von einem anderen LIDAR-System) und dergleichen aufweisen. In einigen Aspekten kann ein Signal emittiert werden, das (nur) eine gewünschte „Signalkomponente“ aufweist, der während der Ausbreitung des Signals eine „Rauschkomponente“ überlagert werden kann.
Im Folgenden können einige Werte (z.B. welche mit einer Leistung oder mit einem Leistungspegel eines Signals assoziiert sind) gemäß einer linearen Skala (z.B. in Watt W) oder gemäß einer logarithmischen Skala (z.B. in Dezibel dB oder Dezibel Watt dBW) bereitgestellt werden. In einigen Aspekten können die gemäß der linearen Skala ausgedrückten Werte in entsprechende Werte gemäß der logarithmischen Skala umgerechnet werden, wobei ein Referenzwert angenommen wird, mit welchem die Werte verglichen werden (z.B. 1 W). Als ein Beispiel kann im Falle einer gemäß einer linearen Skala ausgedrückten Leistung P_L eine entsprechende gemäß einer logarithmischen Skala ausgedrückte Leistung P_D als P_D=10*log₁₀ (P_L/P_R) abgeleitet werden, wobei P_R eine Referenzleistung (z.B. 1 W) sein kann. Es versteht sich auch, dass in dBW ausgedrückte Werte mit in dB ausgedrückten Werten kombiniert (z.B. addiert oder subtrahiert) werden können, wie es in der Technik allgemein bekannt ist. In einigen Diagrammen kann ein Signal in Form von willkürlichen Einheiten (a.u.) oder in Form von Dezibel von willkürlichen Einheiten (dB von a.u.) dargestellt werden, z.B. falls der dargestellte Signalpegel (z.B. Amplitude oder Leistung) als ein normalisierter Signalpegel dargestellt ist.
In den Figuren können verschiedene Diagramme veranschaulicht sein, welche ein Signal darstellen. Ein Signal kann in einem Diagramm in Bezug auf seine Signalkomponente dargestellt werden, z.B. S_TX für ein Signal auf der Emitterseite, z.B. ein emittiertes Signal oder ein übertragenes Signal, oder S_RX für ein Signal auf der Empfängerseite, z.B. ein empfangenes Signal, ein verzweigtes Signal oder ein kombiniertes Signal. Rauschen kann auch in einem Diagramm dargestellt werden, z.B. einzeln oder als Teil eines Signals (z.B. als Rauschkomponente zusätzlich zu einer Signalkomponente oder als Rauschkomponente, welche einer Signalkomponente überlagert ist), z.B. bezeichnet als N_g für allgemeines Rauschen oder als N_TIA im Falle von Rauschen, das mit einem Transimpedanzverstärker assoziiert ist. Ein Signal, dem Rauschen überlagert ist, kann als eine verrauschte Version dieses Signals ohne das Rauschen dargestellt werden. Ein Signal aufweisend eine Signalkomponente und eine überlagerte Rauschkomponente kann als S_TX+N_g für ein Signal auf der Emitterseite oder als S_RX+N_g für ein Signal auf der Empfängerseite bezeichnet werden. In dem Fall, dass ein Signal durch die Kombination (z.B. die Addition oder die Überlagerung) einer Mehrzahl von anderen Signalen bereitgestellt ist, kann es zusätzlich mit dem Symbol Σ bezeichnet werden, um anzuzeigen, dass das dargestellte Signal die Kombination der Mehrzahl von anderen Signalen ist.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung, kann auf ein LIDAR-System Bezug genommen werden, welches das hierin beschriebene Lichtdetektionssystem aufweisen kann. Ein LIDAR-System kann verschiedene Bauteile und Sensoren zur Überwachung einer Szene (z.B. der Umgebung, die ein Fahrzeug umgibt) aufweisen, wie in der Technik allgemein bekannt ist. Beispielsweise kann ein LIDAR-System einen Helligkeitssensor, einen Anwesenheitssensor, eine optische Kamera, ein RADAR-Abtastungssystem, ein Ultraschall-Abtastungssystem und/oder ein lichtbasiertes Abtastungssystem aufweisen. Ein LIDAR-System kann einen oder mehrere Aktuatoren zur Anpassung der Umgebungsüberwachungsbedingungen aufweisen, z.B. einen oder mehrere Aktuatoren zur Anpassung der Abstrahlrichtung von Licht, zur Anpassung der Ausrichtung einer optischen Kamera, zur Anpassung der Abstrahlrichtung von Ultraschallwellen und dergleichen. Ein LIDAR-System kann eine Datenverarbeitungsschaltung aufweisen zur Verarbeitung der von den Sensoren bereitgestellten Daten. Die Datenverarbeitungsschaltung kann beispielsweise ein Sensor-Zusammenführung-Modul aufweisen zum Kombinieren der von verschiedenen Sensortypen bereitgestellten Daten und zum Verbessern der Überwachung der Szene. Die Datenverarbeitungsschaltung kann eingerichtet sein zum Durchführen einer Objekterkennung und/oder einer Objektklassifizierung, um das(die) in der überwachten Szene vorhandene(n) Objekt(e) zu analysieren. Die Objekterkennung und/oder die Objektklassifizierung kann/können auf den von den Sensoren (z.B. von einem oder mehreren der verfügbaren Sensoren) bereitgestellten Daten basieren. Ein LIDAR-System kann einen oder mehrere Speicher aufweisen, welche Informationen und Anweisungen speichern, wie die abgetasteten Daten, die ermittelten Objektinformationen, Anweisungen für den Betrieb der Sensoren und dergleichen. Ein LIDAR-System kann eine oder mehrere Kommunikationsschnittstellen aufweisen, um mit anderen Systemen zu kommunizieren (z.B. anderen Systemen desselben Fahrzeugs oder einem anderen LIDAR-System eines anderen Fahrzeugs, als Beispiele), z.B. eingerichtet für drahtgebundene und/oder drahtlose Kommunikation. Ein LIDAR-System kann beispielsweise Teil eines Fahrzeugs oder einer intelligenten Landwirtschaft oder eines Innenraumüberwachungssystems sein.
Es versteht sich, dass ein LIDAR-System ein Beispiel einer möglichen Anwendung des hierin beschriebenen angepassten Detektionsschemas ist. Das hierin beschriebene Verfahren und das hierin beschriebene Lichtdetektionssystem können auch zur Verwendung in anderen Arten von Anwendungen oder Systemen vorgesehen sein, bei denen das verbesserte Signal-Rausch-Verhältnis vorteilhaft sein kann, beispielsweise in einem optischen Übertragungssystem (z.B. drahtlos oder mit optischen Fasern), z.B. in einem System, in dem Daten und Informationen mittels Lichts übertragen werden können.
In verschiedenen Aspekten kann ein Lichtdetektionssystem aufweisen: einen Detektor eingerichtet zum Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals; und eine Verarbeitungsschaltung eingerichtet zum: Bereitstellen einer Mehrzahl von verzweigten Signalen, wobei jedes der verzweigten Signale repräsentativ für das empfangene Lichtsignal ist; und Kombinieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen miteinander, um ein kombiniertes Signal bereitzustellen, wobei sich die Mehrzahl von verzweigten Signalen derart voneinander unterscheiden, dass sich als Ergebnis der Kombination jeweilige Signalkomponenten der Mehrzahl von verzweigten Signalen in einer konstruktiven Weise kombinieren und jeweilige Rauschkomponenten der Mehrzahl von verzweigten Signalen in einer zumindest teilweise destruktiven Weise kombinieren.
In verschiedenen Aspekten kann ein Lichtdetektionssystem aufweisen: einen Detektor eingerichtet zum Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals; und eine Verarbeitungsschaltung eingerichtet zum: Bereitstellen eines ersten verzweigten Signals und eines zweiten verzweigten Signals, wobei das erste verzweigte Signal und das zweite verzweigte Signal repräsentativ für das empfangene Lichtsignal sind, Modifizieren des zweiten verzweigten Signals in Bezug auf das erste verzweigte Signal, und Kombinieren des ersten verzweigten Signals mit dem zweiten verzweigten Signal, um ein kombiniertes Signal bereitzustellen, wobei das zweite verzweigte Signal in Bezug auf das erste verzweigte Signal derart modifiziert ist, dass sich als Ergebnis der Kombination eine erste Signalkomponente des ersten verzweigten Signals mit einer zweiten Signalkomponente des zweiten verzweigten Signals in einer konstruktiven Weise kombiniert und eine erste Rauschkomponente des ersten verzweigten Signals mit einer zweiten Rauschkomponente des zweiten verzweigten Signals in einer zumindest teilweise destruktiven Weise kombiniert.
In verschiedenen Aspekten kann ein Lichtdetektionssystem aufweisen: einen Detektor eingerichtet zum Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals, wobei das empfangene Lichtsignal eine Signalkomponente und eine Rauschkomponente aufweist; und eine Verarbeitungsschaltung eingerichtet zum: Assoziieren einer Mehrzahl von Verzögerungen mit dem empfangenen Lichtsignal, um eine Mehrzahl von verzweigten Signalen bereitzustellen, wobei jedes der verzweigten Signale mit einer jeweiligen Verzögerung der Mehrzahl von Verzögerungen assoziiert ist, und Kombinieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen miteinander, um eine konstruktive Kombination der jeweiligen Signalkomponenten und eine zumindest teilweise destruktive Kombination der jeweiligen Rauschkomponenten bereitzustellen, basierend auf den jeweiligen Verzögerungen.
In verschiedenen Aspekten kann ein Verfahren zum Detektieren von Licht aufweisen: Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals; Bereitstellen einer Mehrzahl von verzweigten Signalen, wobei jedes der verzweigten Signale repräsentativ für das empfangene Lichtsignal ist; und Kombinieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen miteinander, um ein kombiniertes Signal bereitzustellen, wobei sich die Mehrzahl von verzweigten Signalen derart voneinander unterscheiden, dass sich als Ergebnis der Kombination jeweilige Signalkomponenten der Mehrzahl von verzweigten Signalen in einer konstruktiven Weise kombinieren und jeweilige Rauschkomponenten der Mehrzahl von verzweigten Signalen in einer zumindest teilweise destruktiven Weise kombinieren.
Der Ausdruck „Signalpegel“ kann hierin verwendet werden, um einen Parameter zu beschreiben, welcher mit einem Signal oder mit einem Anteil eines Signals (z.B. mit einem Peak) assoziiert ist. Ein „Signalpegel“, wie hierin verwendet, kann mindestens einen von einem Leistungspegel, einem Strompegel, einem Spannungspegel oder einem Amplitudenpegel (hierin auch als Amplitude bezeichnet) aufweisen.
Der Ausdruck „Signalmerkmal“ kann hierin verwendet werden, um ein charakteristisches Element eines Signals zu beschreiben, beispielsweise einen Peak, ein Tal, einen Puls (z.B. einen Lichtpuls, einen Strompuls, einen Spannungspuls, usw.), eine Sequenz von Pulsen (z.B. eine Sequenz von Lichtpulsen, von Strompulsen, von Spannungspulsen, usw.), ein Plateau und dergleichen.
Der Begriff „Amplitude“ kann hierin verwendet werden, um die Höhe eines Peaks zu beschreiben, z.B. die Höhe eines Pulses. Der Begriff „Amplitude“ kann den Signalpegel des Signals an dem Peak in Bezug auf einen Referenzwert für den Signalpegel beschreiben. Der Begriff „Amplitude“ kann hierin auch in Bezug auf ein Signal verwendet werden, welches keine symmetrische periodische Welle ist, z.B. auch in Bezug auf eine asymmetrische Welle (beispielsweise in Bezug auf ein Signal aufweisend periodische Pulse in einer Richtung). In dieser Hinsicht kann der Begriff „Amplitude“ derart verstanden werden, dass er die Amplitude des Signals (z.B. des Peaks) beschreibt, wie sie vom Referenzwert des Signalpegels aus gemessen wird.
Der Begriff „Prozessor“, wie hierin verwendet, kann als jede Art von technischer Einheit verstanden werden, welche die Bearbeitung von Daten ermöglicht. Die Daten können gemäß einer oder mehrerer spezifischer Funktionen bearbeitet werden, welche von dem Prozessor ausgeführt werden. Ferner kann ein Prozessor, wie hierin verwendet, als jede Art von Schaltung verstanden werden, z.B. jede Art von analoger oder digitaler Schaltung. Ein Prozessor kann somit eine analoge Schaltung, eine digitale Schaltung, eine Mixed-Signal-Schaltung, eine Logik-Schaltung, ein Prozessor, ein Mikroprozessor, ein Hauptprozessor (CPU), ein Grafikprozessor (GPU), ein digitaler Signalprozessor (DSP), ein Universalschaltkreis (FPGA), eine integrierte Schaltung, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), usw. oder eine beliebige Kombination davon sein oder aufweisen. Jede andere Art von Implementierung der jeweiligen Funktionen, welche im Folgenden noch detaillierter beschrieben werden, kann ebenfalls als Prozessor oder Logikschaltung verstanden werden. Es versteht sich, dass jede zwei (oder mehr) der hierin beschriebenen Prozessoren oder Logik-Schaltungen als eine einzige Einheit mit äquivalenter Funktionalität oder Ähnlichem realisiert werden können, und dass umgekehrt jede(r) einzelne hierin detailliert beschriebene Prozessor oder Logik-Schaltung als zwei (oder mehr) separate Einheiten mit äquivalenter Funktionalität oder Ähnlichem realisiert werden kann.
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen allgemein über die unterschiedlichen Ansichten hinweg auf dieselben Teile. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, stattdessen wird allgemein ein Schwerpunkt darauf gelegt, die hierin offenbarten Prinzipien zu veranschaulichen. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene hierin offenbarte Aspekte unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 schematisch ein Lichtdetektionssystem gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
2A schematisch einen Detektor und mit einem empfangenen Lichtsignal assoziierte Diagramme gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
2B schematisch eine Verzögerungsstufe gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
2C und 2D jeweils mit verzweigten Signalen assoziierte Diagramme gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
2E schematisch eine Addierstufe und ein mit einem kombinierten Signal assoziiertes Diagramm gemäß verschiedenen Aspekten zeigt;
3A bis 3E jeweils schematisch ein Lichtdetektionssystem gemäß verschiedenen Aspekten zeigen;
4A bis 4E jeweils schematisch ein Lichtdetektionssystem gemäß verschiedenen Aspekten zeigen;
5A, 5B, und 5C jeweils schematisch ein Bauteil einer Verzögerungsstufe gemäß verschiedenen Aspekten zeigen; und
6A, 6B, 6C, und 6D jeweils eine Reihe von mit einem Lichtsignal assoziierten Diagrammen gemäß verschiedenen Aspekten zeigt.

Die folgende detaillierte Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, die zur Veranschaulichung spezifische Details und Implementierungen zeigen, in denen die hierin beschriebenen Aspekte praktiziert werden können. Diese Aspekte werden ausreichend detailliert beschrieben, um es Fachleuten zu ermöglichen, die offenbarten Implementierungen zu praktizieren. Andere Aspekte können verwendet werden, und strukturelle, logische und elektrische Änderungen können gemacht werden, ohne von dem Umfang der offenbarten Implementierungen abzuweichen. Die verschiedenen Aspekte schließen sich nicht notwendigerweise gegenseitig aus, da einige Aspekte mit einem oder mehreren anderen Aspekten kombiniert werden können, um neue Aspekte zu bilden. Verschiedene Aspekte werden in Verbindung mit Verfahren beschrieben, und verschiedene Aspekte werden in Verbindung mit Vorrichtungen (z.B., einem Lichtdetektionssystem, einer Verarbeitungsschaltung, einem Detektor, usw.) beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass in Verbindung mit Verfahren beschriebene Aspekte in ähnlicher Weise für die Vorrichtungen gelten können, und umgekehrt.
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Lichtdetektionssystems 100 gemäß verschiedenen Aspekten. In einigen Aspekten kann ein LIDAR-System ein oder mehrere Lichtdetektionssysteme 100 aufweisen.
Das Lichtdetektionssystem 100 kann einen Detektor 102 aufweisen, welcher eingerichtet ist zum Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals 104. Der Detektor 102 kann eingerichtet sein zum Empfangen eines Lichtsignals und zum Bereitstellen einer analogen Repräsentation des am Detektor 102 empfangenen Lichtsignals. In einigen Aspekten kann das Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals 104 als ein Detektieren eines Lichtsignals und ein Bereitstellen einer Repräsentation des detektierten Lichtsignals verstanden werden. Als ein Beispiel kann der Detektor 102 eingerichtet sein zum Bereitstellen eines analogen Signals (z.B. eines Stroms oder einer Spannung), welches mit dem am Detektor 102 empfangenen Lichtsignal assoziiert ist, z.B. ein analoges Signal, welches das am Detektor 102 empfangene Lichtsignal repräsentiert (z.B. kann in einigen Aspekten das Lichtsignal 104 als ein Stromsignal oder Spannungssignal verstanden werden, welches ein am Detektor 102 empfangenes Lichtsignal repräsentiert). In einigen Aspekten kann ein empfangenes Lichtsignal 104 als eine Repräsentation bereitgestellt werden, welche von einer Verarbeitungsschaltung 106 verarbeitet werden kann, wie unten noch detaillierter beschrieben wird. Ein empfangenes Lichtsignal (z.B. das empfangene Lichtsignal 104) kann hierin auch als detektiertes Lichtsignal bezeichnet werden.
Das empfangene Lichtsignal 104 kann eine Signalkomponente 104s und eine Rauschkomponente 104n aufweisen. Die Signalkomponente 104s kann einen oder mehrere Teile des empfangenen Lichtsignals 104 aufweisen, die mit einer gewünschten Operation assoziiert sind, z.B. Abstandsmessung, Datenkommunikation, Kanalschätzung, als Beispiele. Die Rauschkomponente 104n kann der Signalkomponente 104s überlagert sein, z.B. kann die Signalkomponente 104s eine verrauschte Version einer ursprünglich emittierten Signalkomponente sein, wie unten noch detaillierter beschrieben wird. In einigen Aspekten kann eine Rauschkomponente während der Detektion eines Signals vorhanden sein. Anschaulich kann bei der Bereitstellung eines empfangenen Lichtsignals (z.B. des empfangenen Lichtsignals 104) eine Rauschkomponente (z.B. die Rauschkomponente 104n) in der Messung vorhanden sein. Die Rauschkomponente 104n kann als eine Rauschkomponente verstanden werden, die mit dem empfangenen Lichtsignal 104 assoziiert ist, anschaulich mit der Ausbreitung und/oder Detektion des empfangenen Lichtsignals 104.
In einigen Aspekten kann das empfangene Lichtsignal 104 (z.B. die Signalkomponente 104s) ein oder mehrere Signalmerkmale aufweisen, z.B. einen oder mehrere Peaks oder ein oder mehrere Täler. Beispielsweise kann ein Lichtsignal einen oder mehrere Lichtpulse aufweisen, wobei jeder der Lichtpulse mit einem jeweiligen Peak von einem oder mehreren Peaks assoziiert ist. Der eine oder die mehreren Lichtpulse können eine gewünschte Operation bereitstellen, die mit dem Lichtsignal assoziiert ist (siehe auch 6A bis 6D). Als ein Beispiel können der eine oder die mehreren Lichtpulse eine Sequenz bilden, die eingerichtet ist, Daten darin zu kodieren (z.B. kann ein Lichtpuls in der Sequenz als eine „logische 1“ angesehen werden und die Abwesenheit eines Lichtpulses in der Sequenz kann als eine „logische 0“ angesehen werden). Als weiteres Beispiel kann mindestens ein Lichtpuls zur Abstandsmessung verwendet werden, z.B. zur Messung eines Abstands zu einem Objekt, das den Lichtpuls in Richtung des Detektors 102 zurückreflektiert hat. Das empfangene Lichtsignal 104 kann ein oder mehrere Signalmerkmale aufweisen, die mit dem einen oder den mehreren Signalmerkmalen eines auf den Detektor 102 auftreffenden Lichtsignals assoziiert sein können (z.B. die diese repräsentieren können) (z.B. kann das empfangene Lichtsignal 104 einen oder mehrere Spannungspeaks oder einen oder mehrere Strompeaks aufweisen, als Beispiele). In der beispielhaften Repräsentation in 1 kann das empfangene Lichtsignal 104 einen (langen) Puls aufweisen, es versteht sich jedoch, dass das empfangene Lichtsignal 104 eine beliebige geeignete Anzahl von Pulsen für eine gewünschte Operation aufweisen kann (z.B. kann es ein Multipulssignal sein), z.B. zwei, drei, vier, fünf oder mehr als fünf, als andere Beispiele.
Das Detektionssystem 100 kann eine Verarbeitungsschaltung 106 aufweisen, die eingerichtet ist zum Verarbeiten des empfangenen Lichtsignals 104. Der Detektor 102 und die Verarbeitungsschaltung 106 können miteinander verbunden sein, und der Detektor 102 kann eingerichtet sein zum Bereitstellen (z.B. zum Übertragen oder zum Kommunizieren) des empfangenen Lichtsignals 104 an die Verarbeitungsschaltung 106.
Die Verarbeitungsschaltung 106 kann eingerichtet sein zum Bereitstellen (z.B. zum Generieren) einer Mehrzahl von verzweigten Signalen 108. In dem in 1 dargestellten Beispielszenario kann die Mehrzahl von verzweigten Signalen 108 ein erstes verzweigtes Signal 108-1, ein zweites verzweigtes Signal 108-2, ein drittes verzweigtes Signal 108-3 und ein viertes verzweigtes Signal 108-4 aufweisen. Es versteht sich jedoch, dass die Mehrzahl von verzweigten Signalen 108 jede geeignete Anzahl von verzweigten Signalen aufweisen kann, z.B. zwei, drei, vier, fünf, zehn oder mehr als zehn, als Beispiel.
Die Verarbeitungsschaltung 106 kann eingerichtet sein zum Verteilen des vom Detektor 102 bereitgestellten empfangenen Lichtsignals 104 auf eine Mehrzahl von Verarbeitungswegen, wobei jeder der Verarbeitungswege mit einem jeweiligen verzweigten Signal 108 assoziiert ist (siehe auch 2B). Als ein Beispiel, falls das vom Detektor 102 bereitgestellte empfangene Lichtsignal 104 ein Spannungssignal ist oder aufweist, kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Bereitstellen dieses selben Spannungssignals an jeden Verarbeitungsweg.
Ein verzweigtes Signal 108 kann repräsentativ für das empfangene Lichtsignal 104 sein. Ein verzweigtes Signal 108 kann so verstanden werden, dass es dieselben Signalmerkmale aufweist wie das empfangene Lichtsignal 104, z.B. eine gleiche Verteilung von Peaks und Tälern, eine gleiche Sequenz von Peaks und dergleichen. Anschaulich kann jedes verzweigte Signal 108 ein oder mehrere jeweilige Signalmerkmale aufweisen, welche die ein oder mehreren Signalmerkmale des empfangenen Lichtsignals 104 repräsentieren. Jedes verzweigte Signal 108 kann eine jeweilige Signalkomponente 108s und eine jeweilige Rauschkomponente 108n aufweisen, die mit der Signalkomponente 104s bzw. der Rauschkomponente 104n des empfangenen Lichtsignals 104 assoziiert sind (z.B. die diese repräsentieren).
Beispielsweise kann ein verzweigtes Signal 108 ein Stromsignal oder ein Spannungssignal sein oder aufweisen, das für das am Detektor 102 empfangene Lichtsignal repräsentativ ist. Das Strom- oder Spannungssignal kann positive Strom- oder Spannungswerte entsprechend den Abschnitten des am Detektor empfangenen Lichtsignals aufweisen, die einen Signalpegel (z.B. eine Amplitude) haben, der größer als ein Schwellensignalpegel (hierin auch als Basispegel bezeichnet) ist, und kann negative Strom- oder Spannungswerte entsprechend den Abschnitten des am Detektor empfangenen Lichtsignals aufweisen, die einen Signalpegel haben, der kleiner als der Schwellensignalpegel ist. Der Schwellenwert kann beispielsweise einen Referenzstrom- oder -spannungswert aufweisen, z.B. einen Hintergrundgeräuschpegel (z.B. einen durchschnittlichen Strom- oder Spannungswert des Rauschens, das mit dem am Detektor 102 empfangenen Lichtsignal assoziiert ist).
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Modifizieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen 108 in Bezug aufeinander (siehe auch 2B). In dem Beispielszenario in 1 kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Modifizieren des zweiten verzweigten Signals 108-2 in Bezug auf das erste verzweigte Signal 108-1, zum Modifizieren des dritten verzweigten Signals 108-3 in Bezug auf das zweite verzweigte Signal 108-2 (und in Bezug auf das erste verzweigte Signal 108-1), usw. Die Verarbeitungsschaltung 106 kann derart eingerichtet sein, dass ein verzweigtes Signal 108 bei der Ausbreitung entlang des (in anderen Worten, durch den) assoziierten Verarbeitungsweges in Bezug auf die anderen verzweigten Signale 108 auf einzigartige Weise modifiziert wird. Die Verarbeitungsschaltung 106 kann eingerichtet sein zum Modifizieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen 108 derart, dass bei der Rekombination der modifizierten verzweigten Signale 108 eine konstruktive Kombination der jeweiligen Signalkomponenten 110s und eine zumindest teilweise destruktive Kombination der jeweiligen Rauschkomponenten 110n bereitgestellt werden kann, wie unten noch detaillierter beschrieben wird.
Die Verarbeitungsschaltung 106 kann eingerichtet sein zum Kombinieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen 108 miteinander, um ein kombiniertes Signal 110 (hierin auch als Additionssignal oder Überlagerungssignal bezeichnet) bereitzustellen. In der beispielhaften Konfiguration in 1 kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Kombinieren des ersten verzweigten Signals 108-1 mit dem zweiten verzweigten Signal 108-2, mit dem dritten verzweigten Signal 108-3 und mit dem vierten verzweigten Signal 108-4. Das Kombinieren der verzweigten Signale 108 miteinander kann ein Überlagern oder ein Addieren der verzweigten Signale 108 miteinander aufweisen (siehe auch 2E). Als ein Beispiel kann eine Summe der verzweigten Signale miteinander eine gewichtete Summe sein. Die Mehrzahl von verzweigten Signalen 108 kann jeweils einen gleichen damit assoziierten Gewichtungsfaktor haben (z.B. kann ein erster Gewichtungsfaktor, der mit dem ersten verzweigten Signal 108-1 assoziiert ist, gleich einem zweiten Gewichtungsfaktor sein, der mit dem zweiten verzweigten Signal 108-2 assoziiert ist, usw.). Alternativ können verschiedene verzweigte Signale 108 verschiedene damit assoziierte Gewichtungsfaktoren haben, z.B. kann mindestens ein verzweigtes Signal 108 einen anderen damit assoziierten Gewichtungsfaktor in Bezug auf ein anderes verzweigtes Signal 108 haben (z.B. kann sich der erste Gewichtungsfaktor von dem zweiten Gewichtungsfaktor unterscheiden).
Ein Gewichtungsfaktor kann bereitgestellt werden zum Kompensieren einer Dämpfung eines verzweigten Signals 108. Als ein Beispiel, z.B. unter Betrachtung eines zeitlichen Verschiebens eines verzweigten Signals 108, welches mittels einer passiven Verzögerungsleitung bereitgestellt wird, kann das verzweigte Signal 108 eine mit seiner Zeitverschiebung assoziierte Dämpfung erfahren (ein Signal, das stärker verzögert wird, kann stärker gedämpft werden). Der mit dem gedämpften Signal assoziierte Gewichtungsfaktor kann die Dämpfung kompensieren, z.B. kann der Gewichtungsfaktor größer sein als ein Gewichtungsfaktor, der mit einem nicht-gedämpften Signal assoziiert ist.
Als weiteres Beispiel können die Gewichtungsfaktoren eine dynamische Anpassung der Modifikation und Kombination der verzweigten Signale ermöglichen (z.B. während der Laufzeit). Anschaulich kann ein Gewichtungsfaktor von 0 auf 1 oder umgekehrt umgeschaltet werden, um ein verzweigtes Signal von der Kombination auszuschließen oder ein verzweigtes Signal in die Kombination einzufügen.
Die Mehrzahl von verzweigten Signalen 108 können sich voneinander unterscheiden derart, dass sich als Ergebnis der Kombination jeweilige Signalkomponenten 108s der Mehrzahl von verzweigten Signalen 108 in einer konstruktiven Weise kombinieren und jeweilige Rauschkomponenten 108n der Mehrzahl von verzweigten Signalen 108 in einer zumindest teilweise destruktiven Weise kombinieren. In der beispielhaften Konfiguration in 1 kann das zweite verzweigte Signal 108-2 in Bezug auf das erste verzweigte Signal 108-1 derart modifiziert sein, dass sich eine erste Signalkomponente des ersten verzweigten Signals 108-1 mit einer zweiten Signalkomponente des zweiten verzweigten Signals 108-2 in einer konstruktiven Weise kombiniert und eine erste Rauschkomponente des ersten verzweigten Signals 108-1 mit einer zweiten Rauschkomponente des zweiten verzweigten Signals 108-2 in einer zumindest teilweise destruktiven Weise kombiniert. Das dritte verzweigte Signal 108-3 kann in Bezug auf das zweite verzweigte Signal 108-2 und das erste verzweigte Signal 108-1 derart modifiziert sein, dass sich eine dritte Signalkomponente des dritten verzweigten Signals 108-3 mit der zweiten Signalkomponente des zweiten verzweigten Signals 108-2 und mit der ersten Signalkomponente des ersten verzweigten Signals 108-1 in einer konstruktiven Weise kombiniert, und eine dritte Rauschkomponente des dritten verzweigten Signals 108-3 mit der zweiten Rauschkomponente des zweiten verzweigten Signals 108-2 und mit der ersten Rauschkomponente des ersten verzweigten Signals 108-1 in einer zumindest teilweise destruktiven Weise kombiniert, usw.
Als ein Beispiel (siehe auch 2B) kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum zeitlichen Verschieben der Mehrzahl von verzweigten Signalen 108 in Bezug aufeinander und die Zeitverschiebung(en) kann (können) derart eingerichtet sein, dass sich als Ergebnis der Kombination jeweilige Signalkomponenten 108s der Mehrzahl von verzweigten Signalen 108 in einer konstruktiven Weise kombinieren und jeweilige Rauschkomponenten 108n der Mehrzahl von verzweigten Signalen 108 in einer zumindest teilweise destruktiven Weise kombinieren. Als ein Beispiel kann die Zeitverschiebung zwischen zwei verzweigten Signalen 108 derart ausgewählt werden, dass sich die beiden verzweigten Signale 108 (anschaulich die jeweiligen Signalmerkmale) eine zumindest teilweise zeitliche Überlappung haben (siehe auch 2B).
Die Verstärkung der Signalkomponente 110s des kombinierten Signals 110 in Bezug auf seine Rauschkomponente 110n kann wie folgt beschrieben werden, für den Fall, dass die Modifikation der verzweigten Signale 108 ein zeitliches Verschieben der verzweigten Signale 108 in Bezug aufeinander aufweist (z.B. in Bezug auf ein nicht verzögertes verzweigtes Signal, das als Referenz verwendet wird). Beispielsweise im Falle einer Addition der verzweigten Signale 108, und unter der Annahme, dass die Signalkomponenten 108s positiv sind (z.B. dass sie eine positive Amplitude haben), können sich die jeweiligen Signalkomponenten 108s konstruktiv addieren. Bezeichnet man beispielsweise als „a“ (mit a ≥ 0) die Signalkomponente eines ersten verzweigten Signals und als „b“ (mit b ≥ 0) die Signalkomponente eines zweiten verzweigten Signals, so kann die Summe lal+lbl entsprechen (wobei der Operator |x| den Betrag einer Zahl x bezeichnet). Die Rauschkomponenten des ersten verzweigten Signals und des zweiten verzweigten Signals, die addiert werden, können entweder positiv oder negativ sein (z.B. kann das Rauschen zufällig um einen Basispegel schwanken). Beispielsweise kann die Rauschkomponente 108n des ersten verzweigten Signals positiv sein (z.B. bezeichnet als „c“, mit c ≥ 0) und die Rauschkomponente 108n des zweiten verzweigten Signals kann negativ sein (z.B. bezeichnet als „d“, mit d < 0). In diesem Fall entspricht die Summe |c|-|d| und liefert somit ein Ergebnis (eine kombinierte Rauschkomponente), das sich zumindest teilweise aufhebt.
Eine Rauschkomponente oder Signalkomponente, die positiv ist, kann derart verstanden werden, dass ein Abschnitt des jeweiligen Signals eine damit assoziierte positive Spannung oder einen damit assoziierten positiven Strom hat (z.B. in Bezug auf einen Referenzspannungswert bzw. Referenzstromwert). Eine Rauschkomponente oder Signalkomponente, die negativ ist, kann derart verstanden werden, dass ein Abschnitt des jeweiligen Signals eine damit assoziierte negative Spannung oder einen damit assoziierten negativen Strom hat (z.B. in Bezug auf den Referenzspannungswert bzw. Referenzstromwert). Als ein Beispiel, falls der Detektor eine Lawinen-Photodiode aufweist, kann der Ausgang der Lawinen-Photodiode mit einem Kondensator gekoppelt sein, was eine Wechselstromkopplung bereitstellt, dessen Ausgabe positive oder negative (Strom- oder Spannungs-)Werte annehmen kann.
Anders ausgedrückt kann (können) die Zeitverschiebung(en) derart ausgewählt werden, dass sich die Signalkomponenten 108s immer in einer konstruktiven Weise addieren, z.B. überlappen sich die jeweiligen Amplituden derart, dass die kombinierte Amplitude größer ist als die Einzelamplituden. Dies kann zum Beispiel der Fall sein für ein an dem Detektor 102 empfangenes Lichtsignal, das einen oder mehrere Lichtpulse mit positiver Amplitude aufweist. Jede Zeitverschiebung, die eine zumindest teilweise Überlappung eines Pulses eines verzweigten Signals mit einem anderen Puls eines anderen verzweigten Signals bereitstellt, stellt die gewünschte konstruktive Kombination (beim überlappenden Abschnitt) bereit. Die Rauschkomponenten 108n können sich sowohl in einer konstruktiven Weise als auch in einer destruktiven Weise addieren, z.B. können sich die jeweiligen Amplituden derart überlappen, dass die kombinierte Rauschamplitude für bestimmte Abschnitte größer als die einzelnen Rauschamplituden und für bestimmte Abschnitte kleiner als die einzelnen Rauschamplituden ist (je nachdem, ob die addierten Rauschkomponenten beim überlappenden Abschnitt beide positiv, beide negativ oder eine positiv und eine negativ sind).
Das Gesamtergebnis gewährleistet, dass die Signalkomponente 110s des kombinierten Signals 110 stärker verstärkt wird als seine Rauschkomponente 110n, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht wird.
Eine Signalkomponente 110s des kombinierten Signals 110 kann eine konstruktive Kombination der jeweiligen Signalkomponenten 108s der Mehrzahl von verzweigten Signalen 108 aufweisen. Eine Rauschkomponente 110n des kombinierten Signals 110 kann eine zumindest teilweise destruktive Kombination der jeweiligen Rauschkomponenten 108n der Mehrzahl von verzweigten Signalen 108 aufweisen. Anschaulich kann die Signalkomponente 110s des kombinierten Signals 110 um einen ersten Faktor größer sein als die Signalkomponente 104s des empfangenen Lichtsignals 104, und die Rauschkomponente 110n des kombinierten Signals 110 kann um einen zweiten Faktor, der kleiner als der erste Faktor ist, größer sein als die Rauschkomponente 104n des empfangenen Lichtsignals 104 (siehe auch 2E).
Die hierin beschriebene Verarbeitung kann dafür sorgen, dass ein mit dem empfangenen Lichtsignal 104 assoziiertes Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird angesichts der erhöhten Signalkomponente 110s des kombinierten Signals 110 in Bezug auf seine Rauschkomponente 110n.
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Detektieren der Signalkomponente 110s des kombinierten Signals 110, z.B. kann sie eingerichtet sein zum Extrahieren der Signalkomponente 110s des kombinierten Signals 110 zur weiteren Verarbeitung. Als ein Beispiel kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Generieren eines Trigger-Signals mittels der detektierten Signalkomponente 110s, um eine mit dem empfangenen Lichtsignal 104 assoziierte Laufzeitmessung zu stoppen. Die mit dem empfangenen Lichtsignal 104 assoziierte Laufzeit kann eine Zeit beschreiben, die zwischen der Emission des Lichtsignals und dem Empfang des Lichtsignals (z.B. am Detektor 102) verging. Als weiteres Beispiel kann die Verarbeitungsschaltung 106 eingerichtet sein zum Dekodieren von Daten, die in der detektierten Signalkomponente 110s kodiert sind (z.B. kann die Verarbeitungsschaltung 106 einen oder mehrere Prozessoren aufweisen, die zum Dekodieren der kodierten Daten eingerichtet sind).
Zum Zweck der Erläuterung kann die Verarbeitungsschaltung 106 eine Modifikationsstufe 120 und eine Kombinationsstufe 130 aufweisen (kann in diese unterteilt sein), um die Verarbeitung des empfangenen Lichtsignals 104 durchzuführen. Es versteht sich jedoch, dass die verschiedenen hierin beschriebenen Funktionen nicht notwendigerweise in getrennten Stufen oder in Stufen, die getrennt sind, wie hierin beispielhaft dargestellt ist, ausgeführt werden. Die hierin in Bezug auf eine „Stufe“ einer Verarbeitungsschaltung beschriebene(n) Funktion oder Funktionen kann (können) derart verstanden werden, dass sie von der Verarbeitungsschaltung durchgeführt wird (werden).
Der Betrieb eines Lichtdetektionssystems (z.B. eines Detektors und einer Verarbeitungsschaltung) wird in Bezug auf 2A bis 2E noch detaillierter beschrieben, welche verschiedene Aspekte der Verarbeitung eines Signals (z.B. des empfangenen Lichtsignals 104) zeigen. In den 2A bis 2E kann auf eine Modifikation von verzweigten Signalen Bezug genommen werden, die ein Verzögern der verzweigten Signale in Bezug aufeinander aufweist. Es versteht sich, dass das Verzögern nur ein Beispiel ist, und dass andere Arten von Modifikationen vorgesehen werden können, wie oben beschrieben wurde.
2A zeigt einen Detektor 202 und Diagramme 200a-1, 200a-2, welche mit einem Lichtsignal 204-1, 204-2 assoziiert sind, gemäß verschiedenen Aspekten. Der Detektor 202 kann eine beispielhafte Implementierung des Detektors 102 sein, und das Lichtsignal 204-2 kann ein Beispiel des empfangenen Lichtsignals 104 sein, welche in Bezug auf 1 beschrieben wurden. Das Diagramm 204a-1 kann ein Lichtsignal 204-1 ohne überlagertes Rauschen darstellen, z.B. ein emittiertes oder zu emittierendes Lichtsignal 204-1, S_TX, (z.B. von einem Lichtemissionssystem eines LIDAR-Systems). Das Diagramm 200a-2 kann ein beispielhaftes Lichtsignal 204-2 darstellen, das (z.B. an einem Lichtdetektionssystem 100) empfangen oder detektiert wurde und das von einer Verarbeitungsschaltung verarbeitet werden kann, z.B. von der in Bezug auf 1 beschriebenen Verarbeitungsschaltung 106. Die Diagramme 200a-1, 200a-2 können auf der horizontalen Achse eine Zeit (in Nanosekunden) und auf der vertikalen Achse eine Leistung (in dB von a.u.) aufweisen. Es versteht sich, dass die Repräsentation in den Diagrammen 200a-1, 200a-2 hinsichtlich jedes geeigneten mit dem Signal (z.B. mit seinem Signalpegel) assoziierten Parameters bereitgestellt werden könnte, wie einer Leistung, einem Strom, einer Amplitude oder einer Spannung. In dem Diagramm 200a-2 ist das empfangene Lichtsignal 204-2 hinsichtlich der Signalkomponente (S_RX) , der Rauschkomponente (N_g) und der Signalkomponente mit überlagerter Rauschkomponente (S_RX+N_g) dargestellt. Ein durchschnittlicher Signalpegel des Rauschens (ein Rauschmittelwert) ist ebenfalls im Diagramm 200a-2 dargestellt, z.B. -60,30 dB nur als numerisches Beispiel.
Der Detektor 202 kann eingerichtet sein zum Empfangen eines Lichtsignals (z.B. des Lichtsignals 204-1) und zum Bereitstellen eines empfangenen Signals 204-2, welches das am Detektor 202 empfangene Signal repräsentiert. Das Lichtsignal 204-2 kann eine Rauschkomponente aufweisen, die der Signalkomponente überlagert ist. Anschaulich kann das empfangene Lichtsignal 204-2 eine verrauschte Version des emittierten Lichtsignals 204-1 sein. In der in 2A dargestellten beispielhaften Konfiguration kann das emittierte Lichtsignal 204-1 einen Puls 205 mit einer relativ langen Dauer aufweisen (z.B. 50 ns als numerisches Beispiel). Das empfangene Lichtsignal 204-2 kann einen Puls 207 aufweisen, der eine „verrauschte“ Version des Pulses 205 des emittierten Lichtsignals 204-1 ist. In dieser beispielhaften Konfiguration kann das empfangene Lichtsignal 204-2 ein damit assoziiertes Signal-Rausch-Verhältnis von etwa 10 dB haben (wie durch den Pfeil 209 in Diagramm 200a-2 angezeigt ist, der eine Differenz zwischen dem Signalpegel des Pulses 207 und dem durchschnittlichen Signalpegel des Rauschens anzeigt).
Der Detektor 202 kann ein Messelement 206 (oder eine Mehrzahl von Messelementen) aufweisen, das für das zu detektierende Lichtsignal empfindlich ist. Das Messelement 206 kann eingerichtet sein zum Generieren eines Reaktionssignals, in Antwort darauf, dass das Lichtsignal auf das Messelement 206 auftrifft. Das Reaktionssignal kann ein (erstes) analoges Signal eines ersten Typs aufweisen, z.B. einen Strom. Das Reaktionssignal kann proportional zu dem vom Messelement 206 erfassten Lichtsignal sein (und kann dem Verhalten des erfassten Signals folgen). In einigen Aspekten kann der Detektor 202 eine Mehrzahl von Messelementen 206 aufweisen (z.B. vom gleichen Typ oder von verschiedenen Typen). In dieser Konfiguration kann die Mehrzahl der Messelemente 206 ein Array bilden, z.B. ein ein- oder zweidimensionales Array. Anschaulich können die Messelemente 206 entlang einer Richtung (z.B. einer vertikalen oder horizontalen Richtung) oder entlang zweier Richtungen angeordnet sein, z.B. einer ersten (z.B. horizontalen) Richtung und einer zweiten (z.B. vertikalen) Richtung.
In einigen Aspekten kann der Detektor 202 (z.B. das Messelement 206) mindestens eine Photodiode aufweisen. Der Detektor kann in diesem Fall als Photodetektor verstanden werden, der ein optisches Signal detektiert und es in ein analoges Signal (z.B. in ein elektrisches Stromsignal) umwandelt. Die mindestens eine Photodiode kann eingerichtet sein zum Generieren eines analogen Signals (z.B. eines Photostroms) als Reaktion auf ein auf die mindestens eine Photodiode auftreffendes Lichtsignal. Als Beispiele kann die Photodiode mindestens eine von einer PIN-Photodiode, einer Lawinen-Photodiode (APD), einer Einzelphotonen-Lawinendiode oder einem Silizium-Photomultiplizierer aufweisen.
Der Detektor 202 kann mindestens eine Verstärkerschaltung 208 aufweisen, die eingerichtet ist zum Verstärken des von dem Messelement 206 generierten Reaktionssignals (z.B. des von der mindestens einen Photodiode generierten Reaktionssignals). Die Verstärkerschaltung 208 kann mit dem Messelement 206 gekoppelt sein und kann eingerichtet sein zum Empfangen des von dem Messelement 206 bereitgestellten (ersten) analogen Signals. Die Verstärkerschaltung 208 kann eingerichtet sein zum Verstärken des empfangenen analogen Signals. Die Verstärkerschaltung 208 kann eingerichtet sein zum Bereitstellen eines (zweiten) analogen Signals mittels Verstärkens des empfangenen (ersten) analogen Signals.
In einigen Aspekten kann die Verstärkerschaltung 208 eingerichtet sein zum Verändern eines Typs des empfangenen analogen Signals, z.B. von einem Strom zu einer Spannung, oder umgekehrt. Anschaulich kann die Verstärkerschaltung 208 eingerichtet sein zum Bereitstellen eines zweiten analogen Signals eines zweiten Typs basierend auf dem empfangenen ersten Signal eines ersten Typs. Die Verstärkerschaltung 208 kann einen Stromverstärker, einen Spannungsverstärker oder einen Transimpedanzverstärker aufweisen. Unter Berücksichtigung des Falles, in dem das Messelement 206 eine oder mehrere Photodioden (z.B. PIN oder APD) aufweist, als Beispiel, kann das Eingangssignal an die Verstärkerschaltung 208 ein Stromsignal sein, und die Verstärkerschaltung 208 kann einen Transimpedanzverstärker (TIA) aufweisen, um das Signal zu verstärken und in ein Spannungssignal umzuwandeln.
Das Messelement 206 und die Verstärkerschaltung 208 können ein empfangenes Lichtsignal 204-2 an einem Ausgang des Detektors 202 (z.B. an einem mit einer Verarbeitungsschaltung, z.B. mit der Verarbeitungsschaltung 106, gekoppelten Ausgang) bereitstellen, anschaulich eine analoge (und verstärkte) Repräsentation eines vom Messelement 206 erfassten Lichtsignals.
In 2B bis 2E werden verschiedene Bauteile einer Verarbeitungsschaltung 240 beschrieben. Die Verarbeitungsschaltung 240 (und ihre Bauteile) kann eine beispielhafte Implementierung der in 1 beschriebenen Verarbeitungsschaltung 106 sein.
2B, 2C, und 2D zeigen eine Modifikationsstufe 220 und verschiedene Diagramme 200b-1, 200b-2, 200b-3, 200b-4, die mit einer Mehrzahl von verzweigten Signalen 210 assoziiert sind, die das empfangene Lichtsignal 204-2 repräsentieren. Die Diagramme 200b-1, 200b-2, 200b-3, 200b-4 können auf der horizontalen Achse eine Zeit (in Nanosekunden) und auf der vertikalen Achse eine Leistung (in dB von a.u.) aufweisen. Die Mehrzahl von verzweigten Signalen 210 kann ein Beispiel der in Bezug auf 1 beschriebenen Mehrzahl von verzweigten Signalen 108 sein. Die Modifikationsstufe 220 kann ein beispielhaftes Bauteil einer Verarbeitungsschaltung (z.B. der Verarbeitungsschaltung 106, 240) sein. Anschaulich kann die Modifikationsstufe 220 eine beispielhafte Konfiguration der in Bezug auf 1 beschriebenen Modifikationsstufe 120 sein. Im Folgenden kann die Modifikationsstufe 220 auch als Verzögerungsstufe 220 bezeichnet werden. Die Verzögerungsstufe 220 kann eingerichtet sein zum Empfangen des empfangenen Lichtsignals 204-1 und zum Ausgeben der Mehrzahl von verzweigten Signalen 210. In den Diagrammen 200b-1, 200b-2, 200b-3, 200b-4 ist ein verzweigtes Signal hinsichtlich der Signalkomponente (S_RX) , der Rauschkomponente (N_g) und der Signalkomponente mit überlagerter Rauschkomponente (S_RX+N_g) dargestellt.
Die Verarbeitungsschaltung 240 (z.B. die Verzögerungsstufe 220) kann eingerichtet sein zum Verteilen des empfangenen Lichtsignals 204-2 auf eine Mehrzahl von Verarbeitungswegen (z.B. auf einen ersten bis vierten Verarbeitungsweg 212-1, 212-2, 212-3, 212-4 in der beispielhaften Konfiguration in 2B, gemeinsam als Verarbeitungswege 212 bezeichnet). Jeder Verarbeitungsweg 212 kann mit einem jeweiligen verzweigten Signal 210 assoziiert sein, z.B. mit einem ersten bis vierten verzweigten Signal 210-1, 210-2, 210-3, 210-4 in der beispielhaften Konfiguration in 2B, gemeinsam als verzweigte Signale 210 bezeichnet). Anschaulich kann jeder Verarbeitungsweg 212 als Ausgabe das jeweilige verzweigte Signal 210 (die jeweils modifizierte Version des empfangenen Lichtsignals 204-2) bereitstellen.
In der in 2B dargestellten Konfiguration können die Mehrzahl von verzweigten Signalen 210 in Bezug aufeinander verzögert werden. Das Modifizieren eines verzweigten Signals 210 (entlang des jeweiligen Verarbeitungswegs 212) kann ein zeitliches Verschieben des verzweigten Signals 210 in Bezug auf die anderen verzweigten Signale 210 aufweisen (z.B. in Bezug auf eines der verzweigten Signale 210, das als Referenz für das zeitliche Verschieben der anderen verwendet wird, z.B. in Bezug auf das erste verzweigte Signal 210-1). Das Modifizieren des zweiten verzweigten Signals 210-2 in Bezug auf das erste verzweigte Signal 210-1 kann ein Verzögern des zweiten verzweigten Signals 210-2 in Bezug auf das erste verzweigte Signal 210-1 aufweisen, das Modifizieren des dritten verzweigten Signals 210-3 in Bezug auf das erste verzweigte Signal 210-1 kann ein Verzögern des dritten verzweigten Signals 210-3 in Bezug auf das erste verzweigte Signal 210-1 aufweisen, usw. Die Verzögerung zwischen verschiedenen verzweigten Signalen 210 kann derart vorgesehen sein, dass sich als Ergebnis der (nachfolgenden) Kombination die Signalkomponenten der verzweigten Signale 210 konstruktiv kombinieren und die Rauschkomponenten der verzweigten Signale 210 zumindest teilweise destruktiv kombinieren, wie in Bezug auf 1 beschrieben wurde. In einigen Aspekten kann eine Verzögerung zwischen verschiedenen verzweigten Signalen 210 als eine Verzögerung zwischen verzweigten Signalen 210 verstanden werden, die mit benachbarten Verarbeitungswegen 212 assoziiert sind, z.B. eine (erste) Verzögerung zwischen dem ersten verzweigten Signal 210-1 und dem zweiten verzweigten Signal 210-2, eine (zweite) Verzögerung zwischen dem zweiten verzweigten Signal 210-2 und dem dritten verzweigten Signal 210-3, usw. In einigen Aspekten kann eine Verzögerung zwischen verschiedenen verzweigten Signalen 210 als eine Verzögerung zwischen einem verzweigten Signal 210 und dem Referenz-verzweigten-Signal verstanden werden, z.B. eine (erste) Verzögerung zwischen dem ersten verzweigten Signal 210-1 und dem zweiten verzweigten Signal 210-2, eine (zweite) Verzögerung zwischen dem ersten verzweigten Signal 210-1 und dem dritten verzweigten Signal 210-3, usw.
Das Bereitstellen der Mehrzahl von verzweigten Signalen kann ein Verzögern des empfangenen Lichtsignals 204-2 mittels einer oder mehrerer vorbestimmten Verzögerungen aufweisen. Auf das empfangene Lichtsignal 204-2 kann entlang jedes Verarbeitungsweges 212 eine jeweilige Verzögerung (oder keine Verzögerung) auferlegt werden. Wie in den Diagrammen 200b-1, 200b-2, 200b-3, 200b-4 gezeigt ist, können das eine oder die mehreren Signalmerkmale eines verzweigten Signals 210 in Bezug auf das eine oder die mehreren Signalmerkmale eines anderen verzweigten Signals 210 zeitverschoben werden, nachdem die Verzögerung(en) auferlegt wird (werden). Wenn man das im ersten Diagramm 200b-1 dargestellte erste verzweigte Signal 210-1 (das eine unverzögerte Repräsentation des empfangenen Lichtsignals 204-2 sein kann) als Referenz nimmt, kann der im ersten verzweigten Signal 210-1 vorhandene Puls 214-1 in den anderen verzweigten Signalen 210-2, 210-3, 210-4 zeitverschoben sein. Der Puls 214-2 in dem im zweiten Diagramm 200b-2 dargestellten zweiten verzweigten Signal 210-2 kann in Bezug auf das erste verzweigte Signal 210-1 verzögert sein, z.B. kann er an einem späteren Zeitpunkt in Bezug auf den Puls 214-1 im ersten verzweigten Signal 210-1 auftreten oder erscheinen. Der Puls 214-3 in dem im dritten Diagramm 200b-3 dargestellten dritten verzweigten Signal 210-3 kann in Bezug auf das erste verzweigte Signal 210-1 weiter verzögert sein, z.B. kann er an einem noch späteren Zeitpunkt in Bezug auf den Puls 214-2 im zweiten verzweigten Signal 210-2 auftreten oder erscheinen, usw. Die jeweiligen Verzögerungen können ausgewählt werden, um zu gewährleisten, dass der/die Puls(e) in den verschiedenen verzweigten Signalen 210 zumindest eine teilweise Überlappung haben, um die oben beschriebene konstruktive Überlagerung zu ermöglichen (z.B. kann die Verzögerung in diesem Fall nicht größer sein als die Pulsdauer selbst, da es sonst bei der Kombination der verzweigten Signale keine Überlappung geben würde).
Die eine oder mehreren vorbestimmten Verzögerungen können mit einer Dauer des empfangenen Lichtsignals 204-2 assoziiert sein, z.B. können die eine oder mehreren vorbestimmten Verzögerungen basierend auf einer (bekannten oder erwarteten) Dauer des empfangenen Lichtsignals 204-2 ausgewählt werden. In einigen Aspekten können die eine oder mehreren vorbestimmten Verzögerungen ausgewählt werden basierend auf einer Dauer eines Pulses des empfangenen Lichtsignals 204-2 und/oder basierend auf einem Zeitabstand zwischen den Pulsen des empfangenen Lichtsignals 204-2. Anschaulich können die eine oder mehreren vorbestimmten Verzögerungen ausgewählt werden gemäß der Signalkomponente des empfangenen Lichtsignals 204-2 derart, dass sich als Ergebnis der Kombination die Signalkomponenten der Mehrzahl von verzweigten Signalen 210 in einer konstruktiven Weise miteinander kombinieren können (z.B. derart, dass sich die jeweiligen Signalkomponenten der verzweigten Signale 210 zumindest teilweise miteinander überlappen können). Die auf das empfangene Lichtsignal 204-2 entlang der Verarbeitungswege 212 auferlegten Zeitverschiebungen können derart vorgesehen sein, dass die gewünschte konstruktive Kombination bereitgestellt werden kann. Als numerisches Beispiel kann mindestens eine vorbestimmte Verzögerung der einen oder mehreren vorbestimmten Verzögerungen innerhalb des Bereichs von 0,1 ns bis 200 ns sein, beispielsweise innerhalb des Bereichs von 1 ns bis 20 ns, beispielsweise kann sie 10 ns sein.
In einigen Aspekten kann jede vorbestimmte Verzögerung (der einen oder mehreren Verzögerungen) mit einem jeweiligen ganzzahligen Vielfachen einer vorbestimmten Verzögerungszeit (T) assoziiert sein. Als ein Beispiel kann eine erste Verzögerung (zwischen dem ersten verzweigten Signal 210-1 und dem zweiten verzweigten Signal 210-2) gleich der vorbestimmten Verzögerungszeit (1*T) sein. Eine zweite Verzögerung (z.B. zwischen dem ersten verzweigten Signal 210-1 und dem dritten verzweigten Signal 210-3) kann das Zweifache der vorbestimmten Verzögerungszeit (2*T) sein. Eine dritte Verzögerung (z.B. zwischen dem ersten verzweigten Signal 210-1 und dem vierten verzweigten Signal 210-4) kann das Dreifache der vorbestimmten Verzögerungszeit (3*T) sein, usw. Als numerisches Beispiel kann die vorbestimmte Verzögerungszeit innerhalb des Bereiches von 0,1 ns bis 200 ns, beispielsweise innerhalb des Bereiches von 1 ns bis 20 ns, beispielsweise kann sie 10 ns sein. In der beispielhaften Konfiguration in 2B bis 2D kann die vorbestimmte Verzögerungszeit (z.B. unter der Annahme einer Pulsdauer von etwa 50 ns) 10 ns sein (z.B. kann die erste Verzögerung 10 ns sein, die zweite Verzögerung kann 20 ns sein und die dritte Verzögerung kann 30 ns sein). In den Diagrammen 200b-1, 200b-2, 200b-3, 200b-4 kann die Verzögerung als d_m angegeben sein, z.B. als eine Verzögerung von „m“ möglichen Verzögerungen und kann 0 (0*T) für das erste verzweigte Signal 210-1 im ersten Diagramm 200b-1, 1 (1*T) für das zweite verzweigte Signal 210-2 im zweiten Diagramm 200b-2, 2 (2*T) für das dritte verzweigte Signal 210-3 im dritten Diagramm 200b-3, und 3 (3*T) für das vierte verzweigte Signal 210-4 im vierten Diagramm 200b-4 sein, als ein Beispiel.
Es versteht sich, dass die eine oder mehreren Verzögerungen auch in einer anderen Reihenfolge in Bezug auf die oben beschriebene vorgesehen werden können, z.B. kann die Verzögerung, die das Dreifache der vordefinierten Verzögerungszeit ist, zwischen dem ersten verzweigtes Signal 210-1 und dem zweiten verzweigten Signal 210-2 vorgesehen sein, die Verzögerung, die das Zweifache der vordefinierten Verzögerungszeit ist, kann zwischen dem ersten verzweigten Signal 210-1 und dem vierten verzweigten Signal 210-4 vorgesehen sein, und die Verzögerung, die gleich der vorbestimmten Verzögerungszeit ist, kann zwischen dem ersten verzweigten Signal 210-1 und dem dritten verzweigten Signal 210-3 vorgesehen sein, als weiteres Beispiel.
In einigen Aspekten können die eine oder mehreren Verzögerungen eine Anzahl von Verzögerungen aufweisen basierend auf einem Verhältnis zwischen einer Dauer des empfangenen Lichtsignals 204-2 und der vorbestimmten Verzögerungszeit. Anschaulich kann die Anzahl von Verarbeitungswegen 212 basierend auf der Dauer des empfangenen Lichtsignals 204-2 in Bezug auf die von jedem Verarbeitungsweg 212 bereitgestellte Verzögerungszeit angepasst werden. In einigen Aspekten kann eine dynamische Anpassung vorgesehen werden, z.B. kann die Verarbeitungsschaltung 240 eingerichtet sein zum Verteilen des empfangenen Lichtsignals 204-2 auf eine Teilmenge aller verfügbaren Verarbeitungswege 212 gemäß der Dauer des empfangenen Lichtsignals 204-2, z.B. gemäß dem Verhältnis zwischen der Dauer und der vorbestimmten Verzögerungszeit. Die dynamische Anpassung der Anzahl der bereitgestellten Verzögerungen kann gewährleisten, dass eine angemessene Anzahl von verzweigten Signalen 210 bereitgestellt wird, um die gewünschte konstruktive Kombination der jeweiligen Signalkomponenten zu erreichen. Die dynamische Anpassung kann auch dafür sorgen, dass ein Lichtsignal mit kurzer Dauer (z.B. mit einem Lichtpuls mit kurzer Dauer, z.B. kleiner als 10 ns) nicht um eine Verzögerung zeitverschoben wird, die nicht geeignet ist, um die gewünschte konstruktive Überlagerung der Signalkomponenten zu erhalten (anschaulich kann die Verarbeitung von „nutzlosen“ verzweigten Signalen verhindern).
In einigen Aspekten kann die Verarbeitungsschaltung 240 (z.B. die Verzögerungsstufe 220) ein oder mehrere Verzögerungselemente 216 aufweisen, wobei jedes Verzögerungselement mit einer jeweiligen Verzögerung der einen oder mehreren vorbestimmten Verzögerungen assoziiert ist. In der beispielhaften Konfiguration in 2B kann die Verzögerungsstufe 220 ein erstes Verzögerungselement 216-1 (z.B. entlang des zweiten Verarbeitungsweges 212-2), ein zweites Verzögerungselement 216-2 (z.B. entlang des dritten Verarbeitungsweges 212-3) und ein drittes Verzögerungselement 216-3 (z.B. entlang des vierten Verarbeitungsweges 212-4) aufweisen. Die Verzögerungsstufe 220 kann mindestens einen Verarbeitungsweg 212 für das empfangene Lichtsignal 204-2 aufweisen, entlang dessen das empfangene Lichtsignal 204-2 nicht verändert wird (z.B. in diesem beispielhaften Fall nicht verzögert). In der Konfiguration in 2B kann der erste Verarbeitungsweg 212-1 kein Verzögerungselement 216 aufweisen (oder kann ein Verzögerungselement aufweisen, das gesteuert werden kann zum Auferlegen einer Verzögerung von Null auf das empfangene Lichtsignal 204-2). Das verzweigte Signal 210, das mit dem Verarbeitungsweg 212 assoziiert ist, entlang dessen das empfangene Lichtsignal 204-2 nicht modifiziert wird, kann als Referenz für die Modifikation der anderen verzweigten Signale 210 vorgesehen werden. Es versteht sich, dass diese Konfiguration beispielhaft ist und andere Konfigurationen vorgesehen werden können, z.B. eine Konfiguration, in der jeder Verarbeitungsweg 212 ein entsprechendes Verzögerungselement 216 aufweist oder eine Konfiguration, in der mehr als ein Verarbeitungsweg 212 kein Verzögerungselement 216 aufweist. Die Verteilung des empfangenen Lichtsignals 204-2 kann so verstanden werden, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Verteilen des empfangenen Lichtsignals 214-2 auf jedes Verzögerungselement der einen oder mehreren Verzögerungselemente 216.
Die Anzahl von Verzögerungselementen 216 kann gemäß der Anzahl der Verzögerungen angepasst werden, die für das empfangene Lichtsignal 204-2 bereitgestellt werden sollen. In einigen Aspekten kann die Anzahl von Verzögerungselementen 216 gleich der Anzahl von Verarbeitungswegen 212 sein, alternativ kann sie gleich der Anzahl von Verarbeitungswegen 212 minus 1 sein (z.B. falls ein unverzögertes Signal als Referenz verwendet wird). Als numerisches Beispiel können das eine oder die mehreren Verzögerungselemente eine Anzahl von Verzögerungselementen innerhalb des Bereichs von 1 bis 16 aufweisen, beispielsweise innerhalb des Bereichs von 1 bis 8, beispielsweise innerhalb des Bereichs von 2 bis 4.
Mögliche Implementierungen der Verzögerungsstufe 220 und der Verzögerungselemente 216 werden im Zusammenhang mit 5A bis 5C noch detaillierter beschrieben.
2E zeigt eine Kombinationsstufe 230 und ein Diagramm 200e, das mit einem kombinierten Signal 218 assoziiert ist. Das kombinierte Signal kann ein Beispiel des in Bezug auf 1 beschriebenen kombinierten Signals 110 sein. Das Diagramm 200e kann auf der horizontalen Achse eine Zeit (in Nanosekunden) und auf der vertikalen Achse eine Leistung (in dB von a.u.) aufweisen. Die Kombinationsstufe 230 kann ein beispielhaftes Bauteil einer Verarbeitungsschaltung (z.B. der Verarbeitungsschaltung 106, 240) sein. Anschaulich kann die Kombinationsstufe 230 eine beispielhafte Konfiguration der in 1 beschriebenen Kombinationsstufe 130 sein. Im Folgenden kann die Kombinationsstufe 230 auch als Addierstufe 230 bezeichnet werden. Die Addierstufe 230 kann zum Empfangen der Mehrzahl von verzweigten Signalen 210 eingerichtet sein, und kann eingerichtet sein zum Ausgeben des kombinierten Signals 218. Im Diagramm 200e ist das kombinierte Signal hinsichtlich der Signalkomponente (S_RX) , der Rauschkomponente (N_g) und der Signalkomponente mit überlagerter Rauschkomponente (S_RX+N_g) dargestellt. Ein durchschnittlicher Signalpegel des Rauschens (ein Rauschmittelwert) ist ebenfalls im Diagramm 200e dargestellt, z.B. -55,00 dB nur als numerisches Beispiel.
Die Addierstufe 230 kann eingerichtet sein zum Kombinieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen 210 miteinander, um das kombinierte Signal 218 bereitzustellen. Die Kombination kann dafür sorgen, dass das kombinierte Signal 218 ein größeres damit assoziiertes Signal-Rausch-Verhältnis hat in Bezug auf das empfangene Lichtsignal 204-2. In der in 2E gezeigten beispielhaften Konfiguration kann das kombinierte Signal 218 ein damit assoziiertes Signal-Rausch-Verhältnis von etwa 16 dB haben (wie durch den Pfeil 219 in Diagramm 200e angezeigt ist, der eine Differenz zwischen dem Signalpegel des Pulses des kombinierten Lichtsignals 218 und dem Signalpegel des Rauschens anzeigt).
Die Addierstufe 230 kann jedes beliebige Bauteil aufweisen, das eingerichtet ist zum Kombinieren (z.B. zum Addieren) der Mehrzahl von Signalen miteinander. Als ein Beispiel kann die Addierstufe 230 einen Transistor oder einen Verstärker aufweisen. Als weiteres Beispiel kann die Addierstufe 230 ein passives Netzwerk aufweisen, z.B. eingerichtet zum Bereitstellen einer Addition von Strömen. Das passive Netzwerk kann beispielsweise einen oder mehrere Widerstände (ein Widerstandsnetzwerk) und/oder einen oder mehrere Transformatoren aufweisen.
Die in 2A bis 2E dargestellte Verarbeitung kann anschaulich wie folgt beschrieben werden. Das gemessene Signal nach dem Transimpedanzverstärker (z.B. das empfangene Lichtsignal 204-2 stromabwärts der Verstärkerschaltung 208), das verrauscht ist, wird in mehrere Zweige, z.B. M Zweige (M Verarbeitungswege 212), aufgeteilt. Das Signal an jedem Zweig kann um ein Vielfaches eines Zeitinkrements T (z.B. einer vordefinierten Zeitspanne) verzögert werden (z.B. an der Verzögerungsstufe 220), z.B. können für eine Konfiguration mit M Zweigen die gewählten Verzögerungen dm beispielweise derart gewählt sein, dass sie 0*T, 1*T, ..., (M-1)*T betragen. Die verzögerten Komponenten werden mit gleichem (oder ungleichem) Gewicht aufsummiert (z.B. an der Addierstufe 230). Die gemessenen und verzögerten Komponenten des gewollten Signals addieren sich immer konstruktiv, z.B. zwei Signale mit einer Amplitude von 1 addieren sich zu einer Amplitude von 2. Die gemessenen und verzögerten Rauschkomponenten oder das allgemeine Rauschen addieren sich sowohl konstruktiv als auch negativ, z.B. zwei Rauschsignale mit einer durchschnittlichen Amplitude von 1 addieren sich zu einer durchschnittlichen Amplitude von sqrt(2) = 1,41. Diese unterschiedlichen Faktoren, die durch die Aufsummierung entstehen, sorgen für die gewünschte Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Als ein weiterer Verarbeitungsschritt kann ein Trigger- oder Puls-Detektor auf das aufsummierte Signal (z.B. auf das kombinierte Signal 218) einwirken.
Zur Veranschaulichung kann der Systemaufbau als ein auf Analog-Digital-Wandlung (ADC)-basiertes System mit Überabtastung um einen Faktor M und Signalmittelung über M Abtastwerte verstanden werden. Der hier beschriebene Ansatz kann jedoch vollständig im analogen Gebiet implementiert werden (ohne Abtastung und Analog-Digital-Wandler) und ist daher auch für Zeit-Digital-Wandler (TDC)-Detektionsschemata geeignet.
Mögliche Implementierungen eines Lichtdetektionssystems (z.B. des Lichtdetektionssystems 100) werden in Bezug auf 3A bis 4D noch detaillierter beschrieben.
3A, 3B, 3C, 3D, und 3E zeigen jeweils schematisch ein jeweiliges Lichtdetektionssystem 300a, 300b, 300c, 300d, 300e gemäß verschiedenen Aspekten. Diese Lichtdetektionssysteme 300a, 300b, 300c, 300d, 300e können eine beispielhafte Implementierung des in 1 beschriebenen Lichtdetektionssystems 100 sein.
Das Lichtdetektionssystem 300a, 300b, 300c, 300d, 300e kann einen Detektor 302 (z.B. eingerichtet wie der in Bezug auf 1 und 2A beschriebene Detektor 102, 202) aufweisen, der ein Messelement 304 und eine Verstärkerschaltung 306 (z.B. eingerichtet wie das Messelement 206 und die Verstärkerschaltung 208, die in Bezug auf 2A beschrieben wurden, z.B. eine Photodiode bzw. ein Transimpedanzverstärker) aufweist.
Das Lichtdetektionssystem 300a, 300b, 300c, 300d, 300e kann eine Verarbeitungsschaltung 340a, 340b, 340c, 340d, 340e aufweisen, die eine Verzögerungsstufe 320a, 320b, 320c, 320d, 320d und eine Addierstufe 330a, 330b, 330c, 330d, 330e (z.B., jeweils eingerichtet wie die Verarbeitungsschaltung 106, 240, die Modifikationsstufe 120, 220 und die Kombinationsstufe 130, 230, die in Bezug auf 1, 2B und 2E beschrieben wurden) aufweist.
Das Lichtdetektionssystem 300a, 300b, 300c, 300d, 300e (z.B. die Verarbeitungsschaltung 340a, 340b, 340c, 340d, 340e) kann eine Triggerschaltung 310 aufweisen, die eingerichtet ist zum Generieren eines Trigger-Signals basierend auf dem von der Addierstufe 330a, 330b, 330c, 330d, 330e bereitgestellten kombinierten Signal, z.B. um eine mit einem am Detektor 302 empfangenen Lichtsignal assoziierte Laufzeitmessung zu stoppen. Als ein Beispiel kann die Triggerschaltung 310 einen Schmitt-Trigger aufweisen.
In einigen Aspekten kann ein Lichtdetektionssystem 300a, 300b, 300c, 300d, 300e einen Treiber 308 aufweisen, der zwischen dem Detektor 302 und der Verarbeitungsschaltung 340a, 340b, 340c, 340d, 340e angeordnet ist. Der Treiber 308 kann eingerichtet sein zum Bereitstellen einer Impedanzanpassung zwischen dem Detektor 302 und der Verarbeitungsschaltung 340a, 340b, 340c, 340d, 340e (zwischen dem Ausgang des Detektors und dem Eingang der Verarbeitungsschaltung). Ein Transimpedanzverstärker 306 kann eine hohe Ausgangsimpedanz haben. Würde man einen Transimpedanzverstärker 306 mit irgendeiner niedrigen Impedanz an seinem Ausgang belasten (z.B. mit den Eingangsimpedanzen der folgenden Stufen), würde dies zu einer niedrigen Amplitude führen. Dies kann die vom Transimpedanzverstärker bereitgestellte Verstärkung zunichte machen und die Leistung des Lichtdetektionssystems 300a, 300b, 300c, 300d, 300e verschlechtern. Der Treiber 308 kann Impedanzanpassung bereitstellen. In einigen Aspekten kann der Treiber 308 eine Verstärkung von 1 haben, mit hoher Eingangsimpedanz und kleiner Ausgangsimpedanz.
Der Treiber 308 kann einen mit dem Detektor 302 gekoppelten Eingang und einen mit der Verarbeitungsschaltung 340a, 340b, 340c, 340d, 340e gekoppelten Ausgang aufweisen. Der Eingang kann eine damit assoziierte Eingangsimpedanz haben und der Ausgang kann eine damit assoziierte Ausgangsimpedanz haben. Die Eingangsimpedanz kann größer sein als die Ausgangsimpedanz (z.B. mindestens zweimal größer oder mindestens fünfmal größer oder mindestens zehnmal größer).
Als eine beispielhafte Implementierung kann der Treiber 308 einen Transformator (einen Impedanzanpassung-Transformator) aufweisen. Der Eingang des Transformators kann eine erste (z.B. primäre) Wicklung mit einer ersten Anzahl von Windungen aufweisen, und der Ausgang des Transformators kann eine oder mehrere zweite (z.B. sekundäre) Wicklungen aufweisen, die jeweils eine jeweilige zweite Anzahl von Windungen aufweisen. Beispielsweise kann der Transformator eine zweite Wicklung für jeden Verarbeitungsweg 312 aufweisen. Die erste Anzahl von Windungen kann größer sein als die zweite Anzahl von Windungen (z.B. mindestens zweimal größer oder mindestens fünfmal größer oder mindestens zehnmal größer). Dies kann eine Anpassung der niedrigen Ausgangsimpedanz des Treibers 308 an die hohe Eingangsimpedanz der Verzögerungsstufe bereitstellen.
Als eine weitere beispielhafte Implementierung kann der Treiber 308 ein passives Netzwerk aufweisen. Das passive Netzwerk kann mindestens eine Induktivität und eine Kapazität aufweisen (z.B. mindestens ein Bauteil mit einer damit assoziierten Impedanz und mindestens ein Bauteil mit einer damit assoziierten Kapazität). Die Impedanz und die Kapazität können angepasst werden zum Bereitstellen der gewünschten Impedanzanpassung. In einigen Aspekten kann das passive Netzwerk mittels eines gedruckten-Leiterplatten-Designs realisiert werden. Ohne die Impedanzanpassung am Eingang der Verzögerungsstufe 320a, 320b, 320c, 320d, 320e können Reflexionen auftreten, mit daraus folgenden Signalverzerrungen.
Der Treiber 308 kann ein rauscharmer Treiber sein. Falls der Treiber 308 rauschbehaftet ist (siehe 3A), kann das Rauschen die Gesamtleistung des Lichtdetektionssystems 300a verschlechtern. Die Diagramme 350-1, 350-2, 350-3 zeigen die Verarbeitung eines Lichtsignals in verschiedenen Stufen bei Anwesenheit eines rauschbehafteten Treibers 308. Die Diagramme 350-1, 350-2, 350-3 können eine Zeit in der horizontalen Achse (in Nanosekunden) und eine Leistung in der vertikalen Achse (in dB von a.u.) aufweisen. Das Diagramm 350-1 zeigt ein empfangenes Lichtsignal 352, wie es vom Detektor 302 (z.B. stromabwärts des Transimpedanzverstärkers 306) bereitgestellt wird. Das empfangene Lichtsignal 352 kann verrauscht sein, z.B. mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von etwa 10 dB in diesem beispielhaften Fall, wie durch den Pfeil 353 angezeigt ist. Das Diagramm 350-2 zeigt das empfangene Lichtsignal 354 stromabwärts des rauschbehafteten Treibers 308, mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von etwa 8,2 dB in diesem beispielhaften Fall (verrauschter als das Signal stromabwärts des Transimpedanzverstärkers 306), wie durch den Pfeil 355 angezeigt ist. Das Diagramm 350-3 zeigt das kombinierte Signal 356 stromabwärts der Addierstufe 330a, das ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis haben kann (z.B. etwa 14,3 dB), wie durch den Pfeil 357 angezeigt ist, aber mit einer reduzierten Verbesserung in Bezug auf das, was erreicht werden könnte, aufgrund des durch den Treiber 308 eingeführten Rauschens.
In den Diagrammen 350-1, 350-2, 350-3 sind das empfangene Signal und das kombinierte Signal hinsichtlich der Signalkomponente (S_RX) , Rauschkomponente (N_g) und Signalkomponente mit überlagerter Rauschkomponente (S_RX+N_g) dargestellt. Ein durchschnittlicher Signalpegel des Rauschens (ein Rauschmittelwert) ist auch in den Diagrammen 350-1, 350-2, 350-3 dargestellt, z.B. -60,03 dB im Diagramm 350-1, -58,30 dB im Diagramm 350-2 und -53,12 dB im Diagramm 350-3 nur als numerische Beispiele.
Wie in 3B bis 3E gezeigt ist, kann der Treiber 308 als rauscharmer Treiber ausgewählt werden, um die Impedanzanpassung bereitzustellen, ohne die von der Verzögerungsstufe und der Addierstufe bereitgestellte Verstärkung in einer Weise zu verschlechtern, die die Fähigkeiten des Detektionsschemas einschränken würde. Der Treiber 308 kann anschaulich eingerichtet sein zum Bereitstellen einer hohen Eingangsimpedanz, einer niedrigen Ausgangsimpedanz (angepasst an die Eingangsimpedanz der Verzögerungsstufe) und eines geringen Rauschens. In einigen Aspekten können der dynamische Bereich und der Frequenzbereich des Treibers 308 basierend auf dem zu detektierenden Lichtsignal angepasst werden. In einigen Aspekten kann die Charakteristik des Treibers 308 Linearität haben.
In einigen Aspekten, wie in 3C gezeigt ist, kann (zusätzlich oder alternativ) eine Impedanzanpassung zwischen der Verzögerungsstufe 320c und der Addierstufe 330c bereitgestellt werden. Die Impedanzanpassung am Ausgang der Verzögerungsstufe 320c kann Reflexionen und Signalverzerrungen verhindern. Die Addierstufe 330c kann auch rauscharm eingerichtet sein.
Das Lichtdetektionssystem 300c (z.B. die Verarbeitungsschaltung 340c) kann eine Impedanzanpassungsstufe 318 aufweisen, die zwischen die Verzögerungsstufe 320c und die Addierstufe 330c gekoppelt ist. Als beispielhafte Implementierungen kann die Impedanzanpassungsstufe 318 mindestens einen von einem additiven Operationsverstärker, einem Transformator (einem Impedanzanpassung-Transformator) oder einem passiven Netzwerk aufweisen. Der Transformator kann in Abhängigkeit von der Ausgangsimpedanz der Verzögerungsstufe 320c und der Eingangsimpedanz der Addierstufe 330c angepasst werden. Beispielsweise kann der Transformator einen mit der Verzögerungsstufe 320c gekoppelten Eingang und einen mit der Addierstufe 330c gekoppelten Ausgang aufweisen, und der Ausgang kann eine sekundäre Wicklung mit einer (zweiten) Anzahl von Windungen haben, die größer ist als eine (erste) Anzahl von Windungen einer primären Wicklung des Eingangs. Dies kann die Anpassung einer hohen Eingangsimpedanz der Addierstufe an eine niedrige Ausgangsimpedanz der Verzögerungsstufe bereitstellen. Das passive Netzwerk kann mindestens eine Induktivität und eine Kapazität aufweisen (z.B. mindestens ein Bauteil mit einer damit assoziierten Impedanz und mindestens ein Bauteil mit einer damit assoziierten Kapazität). Die Impedanz und die Kapazität können angepasst werden zum Bereitstellen der gewünschten Impedanzanpassung. In einigen Aspekten kann das passive Netzwerk mittels eines gedruckten-Leiterplatten-Designs realisiert werden.
Wie in 3A bis 3E gezeigt ist, kann die Verzögerungsstufe 320a, 320b, 320c, 320d, 320e eine Mehrzahl von Verarbeitungswegen 312 aufweisen, über die das empfangene Lichtsignal verteilt werden kann (z.B. vier Verarbeitungswege in den in 3A bis 3E gezeigten beispielhaften Konfigurationen). In den in 3A bis 3E gezeigten Konfigurationen kann einer der Verarbeitungswege 312 eingerichtet sein, das empfangene Lichtsignal unverändert zu belassen, z.B. kann das empfangene Lichtsignal entlang dieses Weges nicht verzögert werden (das jeweilige verzweigte Signal kann eine unverzögerte Version des empfangenen Lichtsignals sein). Es versteht sich, dass andere Konfigurationen vorgesehen werden können, in denen das empfangene Lichtsignal entlang jedes Verarbeitungsweges 312 verzögert wird, oder in denen das empfangene Lichtsignal entlang mehr als eines Verarbeitungsweges 312 nicht verzögert wird.
In den Konfigurationen in 3A bis 3C kann die Verzögerungsstufe 320a, 320b, 320c Verzögerungselemente aufweisen (z.B. erstes bis drittes Verzögerungselement 314-1, 314-2, 314-3, gemeinsam als Verzögerungselemente 314 bezeichnet), die eingerichtet sind zum Auferlegen einer Verzögerung auf das empfangene Lichtsignal, das auf dem jeweiligen Verarbeitungsweg 312 bereitgestellt wird (um ein jeweiliges verzweigtes Signal als verzögerte Repräsentation des empfangenen Lichtsignals bereitzustellen). Die Verzögerungselemente 314 können eingerichtet sein zum Bereitstellen einer jeweiligen Verzögerung, die ein ganzzahliges Vielfaches einer vorbestimmten Verzögerungszeit ist (z.B. kann das erste Verzögerungselement 314-1 das Signal um 1*T verzögern, das zweite Verzögerungselement 314-2 kann das Signal um 2*T verzögern, das dritte Verzögerungselement 314-3 kann das Signal um 3*T verzögern, usw.), z.B. eine Verzögerung in Bezug auf das unverzögerte verzweigte Signal, das von dem Verarbeitungsweg ohne Verzögerungselement bereitgestellt wird.
In den Konfigurationen in 3D und 3E kann die Verzögerungsstufe 320d, 320e Verzögerungselemente aufweisen (z.B. erstes bis drittes Verzögerungselement 316-1, 316-2, 316-3, gemeinsam als Verzögerungselemente 316 bezeichnet), die eine angezapfte Verzögerungsleitung bilden. Die Verzögerungselemente 316 können eingerichtet sein zum Bereitstellen einer gleichen Verzögerung (T), um das sich entlang des jeweiligen Verarbeitungswegs 312 ausbreitende Signal in Bezug auf das sich entlang des benachbarten Verarbeitungswegs 312 ausbreitende Signal zu verzögern. Eine angezapfte-Verzögerungsleitung-Implementierung kann dafür sorgen, dass insgesamt weniger Elemente verwendet werden.
Wie in 3E gezeigt ist, kann das Lichtdetektionssystem 300e (z.B. die Verarbeitungsschaltung 340e) eingerichtet sein zum Bereitstellen von einstellbaren Verstärkungen (g₀, g₁, ..., g_M-1) an die von der Verzögerungsstufe 320e bereitgestellten verzweigten Signale. Jeder Verarbeitungsweg 312 kann mit einer jeweiligen einstellbaren Verstärkung assoziiert sein. Anschaulich kann die Verarbeitungsschaltung 340e (z.B. die Verzögerungsstufe 320e) eingerichtet sein zum Kombinieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen mit einer Mehrzahl von einstellbaren Verstärkungen. In der in 3E gezeigten beispielhaften Implementierung kann die Verarbeitungsschaltung 340e (z.B. die Verzögerungsstufe 320e) eine Mehrzahl von Verstärkern 322 aufweisen, wobei jeder Verstärker mit einer jeweiligen einstellbaren Verstärkung assoziiert ist. In einigen Aspekten kann jede Verarbeitungsleitung 312 einen jeweiligen Verstärker 322 aufweisen.
Die einstellbaren Verstärkungen g₀, g₁, ..., g_M-1 können ein fortschrittlicheres Filtern bereitstellen. Die einstellbaren Verstärkungen g₀, g₁, ..., g_M-1 können während der Laufzeit dynamisch angepasst werden, was Flexibilität für die Signalverarbeitung bereitstellt. Die einstellbaren Verstärkungen g₀, g₁, ..., g_M-1 können reale Werte sein, z.B. positive und/oder negative Werte.
Als eine alternative Implementierung (nicht gezeigt) kann die Verarbeitungsschaltung 340e (z.B. die Verzögerungsstufe 320e) eine Schaltmatrix mit Verstärkungen in 0 und 1 aufweisen, um die einstellbaren Verstärkungen bereitzustellen. Die Schaltmatrix kann in Kombination mit den Verzögerungselementen 316 (z.B. mit der angezapften Verzögerungsleitung) „programmierbare Verzögerungen“ bereitstellen. Die Schaltmatrix kann mittels elektronischer Signale, z.B. via Software, gesteuert werden. Dies kann eine dynamische Detektor-Konfiguration bereitstellen, z.B. um im Laufe der Zeit adaptiv zu sein oder um Filterfunktionen zu realisieren. Beispielsweise kann die Schaltmatrix mit PIN-Dioden mit steuerbarer Vorspannung implementiert werden.
Weitere mögliche Umsetzungen eines Lichtdetektionssystems werden in Bezug auf 4A bis 4E beschrieben.
4A, 4B, 4C, 4D, und 4E zeigen jeweils schematisch ein jeweiliges Lichtdetektionssystem 400a, 400b, 400c, 400d, 400e gemäß verschiedenen Aspekten. Diese Lichtdetektionssysteme 400a, 400b, 400c, 400d, 400e können eine beispielhafte Implementierung des in 1 und 3A bis 3E beschriebenen Lichtdetektionssystems 100, 300a, 300b, 300c, 300d, 300e sein. Es versteht sich, dass die Repräsentation in 4A bis 4E zu Erklärungszwecken vereinfacht sein kann und das Lichtdetektionssystem 400a, 400b, 400c, 400d, 400e zusätzliche Bauteile aufweisen kann, z.B. wie oben in Bezug auf 1 und 3A bis 3E beschrieben wurde.
Das Lichtdetektionssystem 400a, 400b, 400c, 400d, 400e kann einen Detektor 402a, 402b, 402c, 402d, 402e (z.B. eingerichtet wie der in Bezug auf 1 bis 3E beschriebene Detektor 102, 202, 302) und eine Verarbeitungsschaltung 404 (z.B. eingerichtet wie die in Bezug auf 1 bis 3E beschriebene Verarbeitungsschaltung 106, 240, 340a, 340b, 340c, 340d, 340e) aufweisen.
Die Verarbeitungsschaltung 404 kann eine Verzögerungsstufe 406 und eine Addierstufe 408 aufweisen (z.B. jeweils eingerichtet wie die Modifikationsstufe 120, 220, 320a, 320b, 320c, 320d und die Kombinationsstufe 130, 230, 330a, 330b, 330c, 330d, 330e, die in Bezug auf 1 bis 3E beschrieben wurden).
Die Verzögerungsstufe 406 kann ein oder mehrere Verzögerungselemente aufweisen, z.B. ein erstes und ein zweites Verzögerungselement 410-1, 410-2 in dieser beispielhaften Konfiguration (gemeinsam als Verzögerungselemente 410-1, 410-2 bezeichnet). Jedes Verzögerungselement kann eingerichtet sein zum Auferlegen einer jeweiligen Verzögerung (τ) auf das verzweigte Signal, das mit dem Verarbeitungsweg assoziiert ist, entlang dessen das Verzögerungselement angeordnet ist (z.B. kann das erste Verzögerungselement 410-1 mit einer ersten Verzögerung τ₁ assoziiert sein, und das zweite Verzögerungselement 410-2 kann mit einer zweiten Verzögerung τ₂ assoziiert sein). Die mit einem Verzögerungselement assoziierte Verzögerung kann sich von jeder anderen mit den anderen Verzögerungselementen assoziierten Verzögerung unterscheiden (z.B. τ₁ ≠ τ₂), und jede Verzögerung kann gleich oder größer als Null sein (τ₁ ≥ 0 und τ₂ ≥ 0) .
In der Konfiguration des Lichtdetektionssystems 400a in 4A kann der Detektor 402a ein Messelement 412 (z.B. eine Photodiode) und eine Verstärkerschaltung 414 (z.B. einen Transimpedanzverstärker) aufweisen, und das vom Detektor 402a bereitgestellte empfangene Lichtsignal kann auf die Verzögerungselemente 410-1, 410-2 verteilt werden.
In der Konfiguration des Lichtdetektionssystems 400b, 400c, 400d, 400e in 4B bis 4E kann der Detektor 402b, 402c, 402d, 402e (z.B. die Verstärkerschaltung 414) eine Mehrzahl von Verstärkerschaltungen (z.B. eine Mehrzahl von Transimpedanzverstärkern) aufweisen. Der Detektor 402b, 402c, 402d, 402e kann eine Verstärkerschaltung für jeden in der Verzögerungsstufe 406 enthaltenen Verarbeitungsweg (z.B. für jedes Verzögerungselement 410) aufweisen, z.B. eine erste Verstärkerschaltung 414-1 (welche mit dem ersten Verzögerungselement 410-1 assoziiert ist) und eine zweite Verstärkerschaltung 414-2 (welche mit dem zweiten Verzögerungselement 410-2 assoziiert ist) in der beispielhaften Konfiguration in 4B bis 4E. Der Detektor 402b, 402c, 402d, 402e kann eingerichtet sein zum Verteilen des vom Messelement 412 bereitgestellten Reaktionssignals an die Mehrzahl von Verstärkerschaltungen. Diese Konfiguration kann eine flexible und dynamische Anpassung der Verstärkung des vom Messelement 412 bereitgestellten Signals bereitstellen, z.B. mit der Möglichkeit, unterschiedliche Verstärkungsfaktoren zu unterschiedlichen Verarbeitungswegen bereitzustellen.
Anschaulich kann das empfangene Lichtsignal in der Konfiguration des Lichtdetektionssystems 400b, 400c, 400d, 400e in 4B bis 4E eine Mehrzahl von empfangenen Lichtsignalen (z.B. ein erstes empfangenes Lichtsignal und ein zweites empfangenes Lichtsignal) aufweisen (z.B. kann es in diese aufgeteilt werden). Jedes empfangene Lichtsignal kann mit einem jeweiligen verzweigten Signal assoziiert sein.
In der Konfiguration des Lichtdetektionssystems 400c, 400d, 400e in 4C bis 4E kann der Detektor 402c, 402d, 402e (z.B. das Messelement 412) eine Mehrzahl von Messelementen, z.B. eine Mehrzahl von Photodioden, aufweisen. Der Detektor 402c, 402d, 402e kann für jede Verstärkerschaltung (und/oder für jeden Verarbeitungsweg) ein Messelement aufweisen, z.B. ein erstes Messelement 412-1 (welches mit der ersten Verstärkerschaltung 414-1 assoziiert ist) und ein zweites Messelement 412-2 (welches mit der zweiten Verstärkerschaltung 414-2 assoziiert ist) in der beispielhaften Konfiguration in 4C bis 4E. Die Verwendung einer Mehrzahl von Messelementen kann weitere Konstruktionsoptionen bieten, z.B. zum Angehen von Anforderungen an die funktionale Sicherheit, die mehrere Detektoren erfordern, und/oder kann die Mittel bieten, um das Signal-Rausch-Verhältnis weiter zu erhöhen, durch Hinzufügen von Signalzweigen mit unabhängigen Rauschkomponenten zu dem System. Wie in 4E gezeigt ist, können die Verzögerungselemente 410-1, 410-2 jeweils eingerichtet sein zum Bereitstellen einer jeweiligen Verzögerungsstufe, mit jeweiligen Verarbeitungswegen. Anschaulich können die Verzögerungselemente 410-1, 410-2 in der in 4E gezeigten Konfiguration als Verzögerungsunterstufen verstanden werden, die jeweils jeweilige Verzögerungselemente aufweisen (z.B. erstes bis viertes Verzögerungselement 418-1, 418-2, 418-3, 418-4 in der beispielhaften Konfiguration in 4E). Die Verwendung einer Mehrzahl von Messelementen kann eine „Verzweigung“ des empfangenen Lichtsignals auf der analogen Ebene bereitstellen.
In der Konfiguration in 4C und 4E können das erste und das zweite Messelement 412-1, 412-2 nah zueinander liegen. Beispielsweise können das erste und das zweite Messelement 412-1, 412-2 zwei Elemente eines Lawinen-Photodioden-Arrays oder zwei Zellen eines Silizium-Photomultiplizierers sein. In der Konfiguration in 4D können das erste und das zweite Messelement 412-1, 412-2 derart voneinander im Abstand sein, dass sie unterschiedliche Lichtsignale empfangen können (z.B. kann das erste Messelement 412-1 ein erstes Lichtsignal 416-1 empfangen und das zweite Messelement 412-2 kann ein zweites Lichtsignal 416-2 empfangen). Die verschiedenen Lichtsignale können aus der Reflexion eines einzigen emittierten Lichtsignals von einem Objekt stammen, so dass sie miteinander korreliert sein können (obwohl sie nicht identisch sind).
5A, 5B, und 5C zeigen ein jeweiliges Bauteil 500a, 500b, 500c zur Verwendung in einer Verzögerungsstufe (z.B. in der in Bezug auf 1 bis 4E beschriebenen Verzögerungsstufe 120, 220, 320a, 320b, 320c, 320d, 320e, 406).
Wie für das Bauteil 500a in 5A gezeigt ist, können ein oder mehrere Verzögerungselemente 502 eine angezapfte Verzögerungsleitung (eine passive Verzögerungsleitung) bilden. Das eine oder die mehreren Verzögerungselemente 502 können (jeweils) eine Induktivität und eine Kapazität aufweisen (z.B. einen Induktor und einen Kondensator). Das eine oder die mehreren Verzögerungselemente 502 können eine sequentiell ansteigende Verzögerung (z.B. in Bezug auf einen unverzögerten Weg für das empfangene Lichtsignal) bereitstellen, z.B. von 10% Verzögerung (z.B. 10 % einer vorbestimmten Verzögerungszeit) bis 100% Verzögerung (die volle Verzögerungszeit) in 10%-Inkrement-Schritten. Die angezapfte Verzögerungsleitung Wie für das Bauteil 500b in 5B gezeigt ist, kann ein Verzögerungselement eine Schaltung 504 aufweisen (z.B. kann es als solche realisiert werden), die eingerichtet ist zum Auferlegen der jeweiligen Verzögerung auf das empfangene Lichtsignal. Die Schaltung 504 kann einen Eingang 506 aufweisen, an dem das empfangene Lichtsignal bereitgestellt wird, und einen Ausgang 508, aus dem das verzögerte (verzweigte) Signal ausgegeben wird (der Eingang und der Ausgang können in der Konfiguration in 5B auch miteinander vertauscht werden). Die Schaltung 504 kann eine oder mehrere Leiterbahnen (z.B. Metallleiterbahnen) aufweisen, entlang derer sich das Signal ausbreitet. Die Schaltung 504 kann derart eingerichtet sein, dass das empfangene Lichtsignal bei der Ausbreitung durch die Schaltung 504 verzögert wird. Die Abmessungen der Schaltung 504, z.B. die Breite W einer Leiterbahn, eine Periode P zwischen Leiterbahnen, eine Länge A einer Leiterbahn und/oder ein Abstand S zwischen Leiterbahnen, können ausgewählt werden, um die gewünschte Verzögerung bereitzustellen. Als eine beispielhafte Implementierung kann die Schaltung 504 eine ASIC aufweisen.
Wie für das Bauteil 500c in 5C gezeigt ist, kann ein Verzögerungselement eine gedruckte Leiterplatte 510 aufweisen (z.B. kann es als solche realisiert werden). Die gedruckte Leiterplatte 510 kann einen Weg (z.B. eine Metallleiterbahn) für das empfangene Lichtsignal aufweisen, entlang dessen sich das Signal ausbreiten kann. Der Weg kann eingerichtet sein zum Auferlegen der gewünschten Verzögerung auf das empfangene Lichtsignal.
Mögliche Beispiele für ein Lichtsignal, das in Kombination mit dem hierin beschriebenen Detektionsschema verwendet werden kann, sind in 6A bis 6D dargestellt. Die Lichtsignale können angepasst werden gemäß den von dem Detektionsschema bereitgestellten verbesserten Detektionsmöglichkeiten.
6A zeigt eine Reihe von Diagrammen 600a-1, 600a-2, 600a-3, 600a-4, die die Aufteilung von Signalleistung auf mehrere Pulse darstellen. Die Diagramme 600a-1, 600a-2, 600a-3, 600a-4 können sich auf ein herkömmliches Detektionsschema beziehen, das die hierin beschriebene angepasste Strategie nicht implementiert. Die Diagramme 600a-1, 600a-2, 600a-3, 600a-4 können eine Zeit in der horizontalen Achse (in Nanosekunden) und eine Leistung in der vertikalen Achse (in a.u.) aufweisen. In den Diagrammen 600a-1, 600a-2, 600a-3, 600a-4 ist ein Signal hinsichtlich der Signalkomponente (S_TX, S_RX) , der Rauschkomponente (N_g) und der Signalkomponente mit überlagerter Rauschkomponente (S_RX+N_g) dargestellt.
Ein Lichtsignal, wie im Diagramm 600a-1 dargestellt, kann einen einzelnen Puls 602 aufweisen, der die gesamte emittierte Leistung enthält (z.B. 100 W als numerisches Beispiel). Der einzelne Puls 602 kann detektiert werden, um ein empfangenes Lichtsignal bereitzustellen, wie in Diagramm 600a-2 gezeigt ist, das einen einzelnen Puls 604 aufweist. Bei Verwendung eines herkömmlichen TDC-Ansatzes mit der in einem einzelnen Puls enthaltenen Leistung kann angesichts dieses Beispiels ein SNR von etwa 20 dB bereitgestellt werden.
Als ein alternativer Ansatz, wie in Diagramm 600a-3 gezeigt ist, kann die emittierte Leistung auf eine Mehrzahl von Lichtpulsen verteilt werden, z.B. auf zwei Lichtpulse 606-1, 606-2 jeweils mit einer Spitzenleistung von 50 W in der in 6A gezeigten beispielhaften Konfiguration. Die zwei Pulse 606-1, 606-2 können detektiert werden, um ein empfangenes Lichtsignal bereitzustellen, das die empfangenen Lichtpulse 608-1, 608-2 aufweist. Bei Verwendung eines herkömmlichen TDC-Ansatzes mit der auf zwei Pulse 606-1 und 606-2 aufgeteilten Leistung führt die Aufteilung der Leistung zu einem reduzierten SNR, z.B. zu einem SNR von etwa 16,99 dB in dieser beispielhaften Konfiguration.
6B zeigt eine Reihe von Diagrammen 600b-1, 600b-2, die die Aufteilung der Signalleistung über mehrere Pulse zeigen. Die Diagramme 600b-1, 600b-2 können sich auf die Detektion gemäß dem hierin beschriebenen angepassten Detektionsschema beziehen. Die Diagramme 600b-1, 600b-2 können in der horizontalen Achse eine Zeit (in Nanosekunden) und in der vertikalen Achse eine Leistung (in a.u.) aufweisen. In den Diagrammen 600b-1, 600b-2 ist ein Signal hinsichtlich der Signalkomponente (S_TX, S_RX) , der Rauschkomponente (N_g) und der Signalkomponente mit überlagerter Rauschkomponente (S_RX+N_g) dargestellt.
Wie im Diagramm 600b-1, 600b-2 gezeigt ist, kann ein Lichtsignal in einigen Aspekten einen oder mehrere Lichtpulse aufweisen, z.B. eine Mehrzahl von Lichtpulsen (einen ersten und einen zweiten Lichtpuls 610-1, 610-2 in der beispielhaften Konfiguration in 6B). Die emittierte Leistung kann auf die Lichtpulse verteilt werden (z.B. kann jeder Lichtpuls eine gleiche Leistung haben, oder verschiedene Lichtpulse können verschiedene Leistungen haben, siehe auch 6C und 6D). Als numerisches Beispiel kann mindestens ein Lichtpuls eine Spitzenleistung innerhalb des Bereichs von 1 W bis 100 W haben, beispielsweise innerhalb des Bereichs von 10 W bis 100 W. In der beispielhaften Konfiguration in 6B können der erste und der zweite Lichtpuls 610-1, 610-2 jeweils eine Spitzenleistung von 50 W haben.
Die Generierung von mehreren Pulsen kann beispielsweise verwendet werden, um zeitlich mehr Ausgangsleistung bereitzustellen, z.B. in einem LIDAR-System für Bereiche innerhalb des Sichtfelds mit nur weit entfernten Objekten, während es insgesamt immer noch konform mit den Augensicherheitsvorschriften ist.
Die Dauer eines Lichtpulses und der (zeitliche) Abstand zwischen benachbarten Lichtpulsen kann gemäß einer gewünschten Operation, die mittels des Lichtsignals durchgeführt werden soll, angepasst werden. Als ein numerisches Beispiel kann mindestens ein Lichtpuls (z.B. jeder Lichtpuls) eine Dauer innerhalb des Bereichs von 0,1 ns bis 100 ns haben, z.B. innerhalb des Bereichs von 1 ns bis 100 ns, z.B. eine Dauer von 50 ns. Als weiteres numerisches Beispiel kann der Abstand zwischen den Lichtpulsen innerhalb des Bereichs von 1 ns bis 100 ns sein, z.B. 50 ns oder 25 ns.
In dem Fall, dass das Lichtsignal eine Mehrzahl von Lichtpulsen aufweist, kann das Kombinieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen miteinander ein Bereitstellen einer konstruktiven Kombination der Lichtpulse aufweisen. In der Konfiguration in 6B kann das Kombinieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen miteinander das Bereitstellen einer konstruktiven Kombination des ersten Lichtpulses 610-1 mit dem zweiten Lichtpuls 610-2 aufweisen.
Eine Verzögerungsstufe kann eingerichtet sein zum Anpassen der den verzweigten Signalen bereitgestellten Verzögerung gemäß den Eigenschaften der Lichtpulse, um die gewünschte konstruktive Kombination bereitzustellen, z.B. um die Lichtpulse eines verzweigten Signals zeitlich zu verschieben, um eine konstruktive Kombination mit den Lichtpulsen eines anderen verzweigten Signals bereitzustellen. In Anbetracht der Tatsache, dass der erste Lichtpuls 610-1 und der zweite Lichtpuls 610-2 durch eine Zeitspanne (z.B. 50 ns in der Konfiguration in 6B) voneinander im Abstand sind, kann die Verzögerungsstufe eingerichtet sein zum Bereitstellen eines ersten verzweigten Signals und eines zweiten verzweigten Signals, die um die Zeitspanne zueinander verzögert sind. Dies kann dafür sorgen, dass sich ein Puls im zweiten verzweigten Signal konstruktiv mit einem Puls im ersten verzweigten Signal kombinieren kann (anschaulich überlappen kann). In der Konfiguration in 6B kann bei einem Abstand von 50 ns eine Zeitverschiebung von 50 ns vorgesehen werden (z.B. was eine Verzögerung von 0 ns für das erste verzweigte Signal und eine Verzögerung von 50 ns für das zweite verzweigte Signal bereitstellt).
Wie im Diagramm 600b-2 gezeigt ist, kann das Kombinieren von verzweigten Signalen, die aus dem empfangenen Lichtsignal, das den ersten Lichtpuls 610-1 und den zweiten Lichtpuls 610-2 aufweist, generiert werden, ein kombiniertes Signal bereitstellen, das einen „kombinierten Puls“ 612-1 aufweist, der durch die konstruktive Kombination von Pulsen in verschiedenen verzweigten Signalen bereitgestellt wird. Das kombinierte Signal kann zusätzliche Pulse 612-2, 612-3 aufweisen, die den Lichtpulsen in den verzweigten Signalen entsprechen, die nicht miteinander kombiniert wurden. In dieser Konfiguration kann ein SNR von etwa 20 dB für diesen beispielhaften Fall bereitgestellt werden, d.h. ähnlich wie bei einem herkömmlichen TDC-Ansatz, bei dem ein einzelner Puls emittiert wurde. Anschaulich kann sich die Leistung des gemeinsamen Decoders der Leistung eines Einzelpuls-Systems annähern.
In einigen Aspekten kann eine Zeitspanne zwischen benachbarten Lichtpulsen gemäß den Eigenschaften einer Verzögerungsstufe angepasst werden, z.B. basierend auf der Verzögerung(en), die von der Verzögerungsstufe bereitgestellt wird (werden). Die Zeitspanne kann angepasst werden, um Abweichungen von einem idealen Verhalten der Verzögerungsstufe zu kompensieren, z.B. Abweichungen einer von einem Verzögerungselement bereitgestellten Verzögerung von einer idealen Verzögerung, die dieses Element bereitstellen sollte. Beispielsweise kann die Zeitspanne zwischen dem ersten Lichtpuls 610-1 und dem zweiten Lichtpuls 610-2 basierend auf einer Abweichung von einer erwarteten Verzögerung und einer tatsächlichen Verzögerung ausgewählt werden, die von einer Verarbeitungsschaltung (z.B. von einer Verzögerungsstufe) zur Verzögerung eines zweiten verzweigten Signals in Bezug auf ein erstes verzweigtes Signal bereitgestellt wird. In einigen Aspekten kann das Timing der einzelnen Pulse in einem Multipulssignal gemäß einer programmierbaren Verzögerungsleitung-Konfiguration gewählt werden.
Unter der Annahme, dass eine analoge Verzögerungsleitung Bauteiltoleranzen haben kann, die sich auf die Verzögerung der einzelnen Pulse innerhalb des Multipulses auswirken, kann ein Initialisierungs- oder Trainingsschema vorgesehen werden, das auf der Emitterseite das relative Timing der Pulse innerhalb des Multipulses modifiziert, bis die Bauteiltoleranzen auf der Detektorseite (die hardwareabhängig sein können) kompensiert sind. Die Anpassungen auf der Emitterseite können durch das Timing der Pulse erfolgen, das per Software gesteuert werden kann. Das Verfahren zum Modifizieren des relativen Timings der Pulse kann systematisch sein und einem Optimierungsalgorithmus folgen oder es kann randomisiert sein. Das Initialisierungs- oder Trainingsschema kann einmal nach der Produktion oder bei jedem Start des Systems oder zu regelmäßigen Zeitmomenten während des Betriebs ausgeführt werden.
In einigen Aspekten kann die Anpassung des Timings der Pulse verwendet werden, um die Ausgangsleistung dynamisch zu modulieren oder zu steuern. Dies kann ein geringeres Übersprechen zwischen Systemen bereitstellen. Anschaulich können Systeme, die gleichzeitig in Betrieb stehen, Multipuls-Konfigurationen (und programmierbare Verzögerungsleitungskonfigurationen) verwenden, die „orthogonal“ zueinander sind, z.B. mit guten Autokorrelationseigenschaften und/oder guten Kreuzkorrelationseigenschaften, oder mit guten asynchronen Kreuzkorrelationseigenschaften. Als ein weiteres Beispiel kann dies dafür sorgen, den Einfluss anderer fremder Signale aktiv zu verringern, mittels Bereitstellens von Mitteln, um die Signatur des eigenen Signals zu identifizieren. Als ein weiteres Beispiel kann dies zum Implementieren von Signalisierungsschemata verwendet werden, bei denen Informationen auf einer Untermenge von Teilpulsen übertragen werden, die im Detektor eines anderen, gleichzeitig in Betrieb stehenden, Systems analysiert werden (z.B. zur Verbreitung von Warnnachrichten) . Als weiteres Beispiel kann dies für die Implementierung von Datenkommunikationsschemata verwendet werden.
6C zeigt eine Reihe von Diagrammen 600c-1, 600c-2, 600c-3, die mit der Detektion eines Multipulssignals assoziiert sind, gemäß verschiedenen Aspekten. Die Diagramme 600c-1, 600c-3 können eine Zeit in der horizontalen Achse (in Nanosekunden) und eine Amplitude in der vertikalen Achse (in a.u.) aufweisen. Das Diagramm 600c-2 kann eine Zeit in der horizontalen Achse (in Nanosekunden) und eine Leistung in der vertikalen Achse (in dB von a.u.) aufweisen. In den Diagrammen 600c-1, 600c-2, 600c-3 ist ein Signal hinsichtlich der Signalkomponente (S_RX) , der Rauschkomponente (N_g) und der Signalkomponente mit überlagerter Rauschkomponente (S_RX+N_g) dargestellt. Im Diagramm 600c-2 ist auch ein durchschnittlicher Signalpegel des Rauschens dargestellt, z.B. -60,38 dB als numerisches Beispiel.
In einigen Aspekten, wie im Diagramm 600c-1 gezeigt ist, kann ein empfangenes Lichtsignal einen (Haupt-)Puls 614 aufweisen, der einer gewünschten Operation (z.B. Abstandsmessung) zugewiesen ist, und einen oder mehrere andere Pulse 616, die einer sekundären Operation (z.B. Datenkommunikation) zugewiesen sind. Als ein Beispiel können der eine oder die mehreren anderen Pulse 616 eine Pulssequenz aufweisen, die eine ID trägt (z.B. zur Identifizierung von Signalen und zur Milderung des Übersprechens). Als weiteres Beispiel können der eine oder die mehreren anderen Pulse 616 eine Pulssequenz zur Signalisierung aufweisen.
In dem Fall, dass das Multipulssignal mittels eines herkömmlichen Ansatzes verarbeitet wurde, wie in Diagramm 600c-2 für ein Signal 618 nach der Verarbeitung gezeigt ist, würde nur der Hauptpuls 614 berücksichtigt, was in diesem Beispiel einen SNR von etwa 30,4 dB bereitstellt, wie durch den Pfeil 619 angezeigt ist (kleiner als das SNR, das in demselben Szenario mit dem hierin beschriebenen angepassten Detektionsschema erreicht werden kann, wie in Diagramm 600c-3 gezeigt). Anschaulich wird bei Verwendung eines normalen Detektors nur der Hauptpuls betrachtet.
In dem Fall, dass das Multipulssignal mittels des hierin beschriebenen angepassten Detektionsschemas verarbeitet wurde, wie im Diagramm 600c-3 gezeigt ist, kann (können) der/die sekundäre(n) Puls(e) 616 zur Verstärkung der Signalkomponente des kombinierten Signals 620 beitragen (zusätzlich zur Durchführung ihrer sekundären Funktion), wodurch ein vergleichsweise höheres SNR bereitgestellt wird, z.B. etwa 32,9 dB in diesem beispielhaften Fall, wie durch den Pfeil 621 gezeigt ist. Anschaulich werden für die Anwendung des vorgeschlagenen Detektionsschemas alle Pulse berücksichtigt.
6D zeigt eine Reihe von Diagrammen 600d-1, 600d-2, 600d-3, die mit der Detektion eines Multipulssignals assoziiert sind, gemäß verschiedenen Aspekten. Die Diagramme 600d-1, 600d-2, 600d-3 können eine Zeit in der horizontalen Achse (in Nanosekunden) und eine Leistung in der vertikalen Achse (in dB von a.u.) aufweisen. In den Diagrammen 600d-1, 600d-2, 600d-3 ist ein Signal hinsichtlich der Signalkomponente (S_TX, S_RX) , der Rauschkomponente (N_g) und der Signalkomponente mit überlagerter Rauschkomponente (S_RX+N_g) dargestellt. In den Diagrammen 600c-2 und 600c-3 ist auch ein durchschnittlicher Signalpegel des Rauschens dargestellt, z.B. -60,45 dB und -53,87 dB als numerische Beispiele.
In einigen Aspekten, wie im Diagramm 600d-1 gezeigt ist, kann ein emittiertes Lichtsignal einen (Haupt-)Puls 622 aufweisen, der einer gewünschten Operation (z.B. Abstandsmessung) zugewiesen ist, sowie einen oder mehrere andere Pulse 624, die einer sekundären Operation (z.B. Kanalschätzung oder Amplitudenmessungen) zugewiesen sind. Das im Diagramm 600d-1 gezeigte Signal kann ein Lichtsignal sein, wie es emittiert wird, z.B. ohne (noch) darauf überlagertes Rauschen.
In dem Fall, dass das Multipulssignal mittels eines herkömmlichen Ansatzes verarbeitet wurde, wie im Diagramm 600d-2 für ein Signal 626 nach der Verarbeitung gezeigt ist, würde nur der Hauptpuls 622 berücksichtigt, was in diesem Beispiel ein SNR von etwa 15,7 dB bereitstellt, wie durch den Pfeil 627 angezeigt ist (kleiner als das SNR, das im gleichen Szenario mit dem hierin beschriebenen angepassten Detektionsschema erreicht werden kann, wie im Diagramm 600d-3 gezeigt ist). Anschaulich wird bei der Verwendung eines normalen Detektors nur der Hauptpuls betrachtet.
In dem Fall, dass das Multipulssignal mittels des hierin beschriebenen angepassten Detektionsschemas verarbeitet wurde, wie im Diagramm 600d-3 gezeigt ist, können die sekundären Pulse 624 zur Verstärkung der Signalkomponente des kombinierten Signals 628 beitragen, wodurch ein vergleichsweise höheres SNR bereitgestellt wird, z.B. etwa 18 dB in dieser beispielhaften Konfiguration, wie durch den Pfeil 629 angezeigt ist. Anschaulich werden bei der Anwendung des vorgeschlagenen Detektionsschemas alle Pulse berücksichtigt.
Die Verwendung von Multipulsen kann vorteilhaft sein, um die Leistung über die Zeit aufzuteilen (in anderen Worten, zu verteilen), um die Ausgangsleistung zu steuern oder zu modulieren, indem nur ein einfaches ON-OFF-Emitter-Frontend verwendet wird, zur Signalidentifizierung und/oder zur Milderung des Übersprechens, zur Datenkommunikation, zur Signalisierung, zu Kanal-/SNR-/Amplitudenmessungen. Ein herkömmlicher LIDAR-Detektor kann die Vorteile von Multipulsen nicht nutzen, ohne die Komplexität und/oder die Kosten des Systems zu erhöhen. Kontinuierliche-Abtastung-Systeme könnten die Vorteile von Multipulsen nutzen, aber sie sind komplex und teuer und haben einen hohen Stromverbrauch. Das hierin beschriebene Detektionsschema stellt einen einfachen und kostengünstigen Ansatz bereit, um die Vorteile von Multipulssignalen voll zu nutzen.
Im Folgenden werden verschiedene Aspekte dieser Offenbarung erklärt.
Beispiel 1 ist ein Lichtdetektionssystem aufweisend: einen Detektor eingerichtet zum Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals; und eine Verarbeitungsschaltung eingerichtet zum: Bereitstellen einer Mehrzahl von verzweigten Signalen wobei jedes der verzweigten Signale repräsentativ für das empfangene Lichtsignal ist; und Kombinieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen miteinander, um ein kombiniertes Signal bereitzustellen, wobei sich die Mehrzahl von verzweigten Signalen derart voneinander unterscheiden, dass sich als Ergebnis der Kombination jeweilige Signalkomponenten der Mehrzahl von verzweigten Signalen in einer konstruktiven Weise kombinieren und jeweilige Rauschkomponenten der Mehrzahl von verzweigten Signalen in einer zumindest teilweise destruktiven Weise kombinieren.
In Beispiel 2 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 1 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Verzögern der Mehrzahl von verzweigten Signalen in Bezug aufeinander, und dass eine Verzögerung zwischen verschiedenen verzweigten Signalen derart ist, dass sich als Ergebnis der Kombination die Signalkomponenten der verzweigten Signale konstruktiv kombinieren und die Rauschkomponenten der verzweigten Signale zumindest teilweise destruktiv kombinieren.
In Beispiel 3 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 2 optional ferner aufweisen, dass das empfangene Lichtsignal ein oder mehrere Signalmerkmale aufweist, dass jedes verzweigte Signal ein oder mehrere jeweilige Signalmerkmale aufweist, die das eine oder die mehreren Signalmerkmale des empfangenen Lichtsignals repräsentieren, und dass die jeweiligen ein oder mehreren Signalmerkmale eines verzweigten Signals zeitverschoben sind in Bezug auf die jeweiligen ein oder mehreren Signalmerkmale jedes anderen verzweigten Signals.
In Beispiel 4 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 3 optional ferner aufweisen, dass das eine oder die mehreren Signalmerkmale einen oder mehrere Peaks aufweisen.
In Beispiel 5 kann das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 4 optional ferner aufweisen, dass das Kombinieren der verzweigten Signale miteinander ein Addieren der verzweigten Signale miteinander aufweist.
In Beispiel 6 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 5 optional ferner aufweisen, dass die Summe der verzweigten Signale miteinander eine gewichtete Summe ist.
In Beispiel 7 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 6 optional ferner aufweisen, dass die Mehrzahl von verzweigten Signalen einen gleichen damit assoziierten Gewichtungsfaktor haben.
In Beispiel 8 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 6 optional ferner aufweisen, dass mindestens ein verzweigtes Signal einen anderen damit assoziierten Gewichtungsfaktor in Bezug auf ein anderes verzweigtes Signal hat.
In Beispiel 9 kann das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 2 bis 8 optional ferner aufweisen, dass das Bereitstellen der Mehrzahl von verzweigten Signalen ein Verzögern des empfangenen Lichtsignals mittels einer oder mehrerer vorbestimmten Verzögerungen aufweist.
In Beispiel 10 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 9 optional ferner aufweisen, dass mindestens eine vorbestimmte Verzögerung der einen oder mehreren vorbestimmten Verzögerungen innerhalb des Bereichs von 0,1 ns bis 200 ns ist, beispielsweise innerhalb des Bereichs von 1 ns bis 20 ns.
In Beispiel 11 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 10 optional ferner aufweisen, dass die mindestens eine vorbestimmte Verzögerung 10 ns ist.
In Beispiel 12 kann das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 9 bis 11 optional ferner aufweisen, dass mindestens eine vorbestimmte Verzögerung mit einer Dauer des empfangenen Lichtsignals assoziiert ist. Beispielsweise kann mindestens eine vorbestimmte Verzögerung ein Bruchteil der Dauer des empfangenen Lichtsignals sein.
In Beispiel 13 kann das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 9 bis 12 optional ferner aufweisen, dass die eine oder mehreren vorbestimmten Verzögerungen eine Mehrzahl von vorbestimmten Verzögerungen aufweisen, die jeweils mit einem jeweiligen ganzzahligen Vielfachen einer vorbestimmten Verzögerungszeit assoziiert sind.
In Beispiel 14 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 13 optional ferner aufweisen, dass die vorbestimmte Verzögerungszeit innerhalb des Bereichs von 0,1 ns bis 200 ns ist, beispielsweise innerhalb des Bereichs von 1 ns bis 20 ns.
In Beispiel 15 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 13 oder 14 optional ferner aufweisen, dass die Mehrzahl von vorbestimmten Verzögerungen eine erste Verzögerung, die gleich der vorbestimmten Verzögerungszeit ist, und eine zweite Verzögerung, die das Zweifache der vorbestimmten Verzögerungszeit ist, aufweist.
In Beispiel 16 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 15 optional ferner aufweisen, dass die Mehrzahl von vorbestimmten Verzögerungen ferner eine dritte Verzögerung aufweist, die das Dreifache der vorbestimmten Verzögerungszeit ist.
In Beispiel 17 kann das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 9 bis 16 optional ferner aufweisen, dass die Mehrzahl von vorbestimmten Verzögerungen eine Anzahl von Verzögerungen aufweist basierend auf einem Verhältnis zwischen der Dauer des empfangenen Lichtsignals und der vorbestimmten Verzögerungszeit.
In Beispiel 18 kann das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 17 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eine Verzögerungsstufe aufweist, welche eingerichtet ist zum Empfangen des empfangenen Lichtsignals und zum Ausgeben der Mehrzahl von verzweigten Signalen.
In Beispiel 19 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 18 optional ferner aufweisen, dass die Verzögerungsstufe ein oder mehrere Verzögerungselemente aufweist, wobei jedes Verzögerungselement mit einer jeweiligen vorbestimmten Verzögerung assoziiert ist.
In Beispiel 20 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 19 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Verteilen des empfangenen Lichtsignals auf jedes Verzögerungselement der einen oder mehreren Verzögerungselemente.
In Beispiel 21 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 19 oder 20 optional ferner aufweisen, dass das eine oder die mehreren Verzögerungselemente eine Anzahl von Verzögerungselementen innerhalb des Bereichs von 1 bis 16 aufweisen, beispielsweise innerhalb des Bereichs von 1 bis 8, beispielsweise innerhalb des Bereichs von 2 bis 4.
In Beispiel 22 kann das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 19 bis 21 optional ferner aufweisen, dass das eine oder die mehreren Verzögerungselemente eine angezapfte Verzögerungsleitung bilden.
In Beispiel 23 kann das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 19 bis 22 optional ferner aufweisen, dass mindestens ein Verzögerungselement eine Induktivität und einen Kondensator aufweist.
In Beispiel 24 kann das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 19 bis 23 optional ferner aufweisen, dass mindestens ein Verzögerungselement eine Schaltung aufweist, die eingerichtet ist zum Auferlegen der jeweiligen Verzögerung auf das empfangene Lichtsignal.
Als ein Beispiel kann die Schaltung eine ASIC aufweisen.
In Beispiel 25 kann das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 19 bis 24 optional ferner aufweisen, dass mindestens ein Verzögerungselement eine gedruckte Leiterplatte aufweist, wobei die gedruckte Leiterplatte einen Weg für das empfangene Lichtsignal aufweist, wobei der Weg eingerichtet ist zum Auferlegen der jeweiligen Verzögerung auf das empfangene Lichtsignal.
In Beispiel 26 kann das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 25 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung mindestens einen Verarbeitungsweg für das empfangene Lichtsignal aufweist, entlang dessen das empfangene Lichtsignal nicht modifiziert (z.B. nicht verzögert) wird
In Beispiel 27 kann das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 26 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eine Addierstufe aufweist, welche eingerichtet ist zum Empfangen der Mehrzahl von verzweigten Signalen und eingerichtet ist zum Ausgeben des kombinierten Signals.
In Beispiel 28 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 27 optional ferner aufweisen, dass die Addierstufe mindestens einen von einem Transistor oder einem Verstärker aufweist. Als weiteres Beispiel kann die Addierstufe ein passives Netzwerk aufweisen. Das passive Netzwerk kann beispielsweise einen oder mehrere Widerstände (ein Widerstandsnetzwerk) und/oder einen oder mehrere Transformatoren aufweisen.
In Beispiel 29 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 27 oder 28 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung ferner eine Impedanzanpassungsstufe aufweist, die zwischen die Verzögerungsstufe und die Addierstufe gekoppelt ist.
In Beispiel 30 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 29 optional ferner aufweisen, dass die Impedanzanpassungsstufe mindestens einen von einem additiven Operationsverstärker, einem Transformator oder einem passiven Netzwerk aufweist.
In Beispiel 31 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 30 optional ferner aufweisen, dass der Transformator einen mit der Verzögerungsstufe gekoppelten Eingang und einen mit der Addierstufe gekoppelten Ausgang aufweist, und dass der Ausgang eine (sekundäre) Wicklung mit einer (zweiten) Anzahl von Windungen hat, die größer ist als eine (erste) Anzahl von Windungen einer (primären) Wicklung des Eingangs.
In Beispiel 32 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 30 oder 31 optional ferner aufweisen, dass das passive Netzwerk eine gedruckte Leiterplattenstruktur aufweist, wobei die gedruckte Leiterplattenstruktur mindestens eine Induktivität und eine Kapazität aufweist.
In Beispiel 33 kann das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 32 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Kombinieren jedes verzweigten Signals mit einer jeweiligen einstellbaren Verstärkung.
In Beispiel 34 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 33 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung eine Mehrzahl von Verstärkern aufweist, wobei jeder Verstärker mit einer jeweiligen einstellbaren Verstärkung assoziiert ist.
In Beispiel 35 kann das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 34 optional ferner aufweisen, dass die Verarbeitungsschaltung ferner eingerichtet ist zum Generieren eines Trigger-Signals mittels einer Signalkomponente des kombinierten Signals, um eine mit dem empfangenen Lichtsignal assoziierte Laufzeitmessung zu stoppen.
In Beispiel 36 kann das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 35 optional ferner aufweisen, dass der Detektor mindestens eine Photodiode aufweist, welche eingerichtet ist zum Generieren eines analogen Signals als Reaktion auf ein auf die mindestens eine Photodiode auftreffendes Lichtsignal.
In Beispiel 37 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 36 optional ferner aufweisen, dass die mindestens eine Photodiode mindestens eine von einer PIN-Photodiode, einer Lawinen-Photodiode, oder einem Silizium-Photomultiplizierer aufweist.
In Beispiel 38 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 36 oder 37 optional ferner aufweisen, dass der Detektor eine Verstärkerschaltung aufweist, die eingerichtet ist zum Verstärken des von der mindestens einen Photodiode generierten analogen Signals.
In Beispiel 39 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 38 optional ferner aufweisen, dass das von der mindestens einen Photodiode generierte analoge Signal ein analoges Signal eines ersten Typs ist, und dass die Verstärkerschaltung eingerichtet ist zum Umwandeln des analogen Signals des ersten Typs in ein analoges Signal eines zweiten Typs.
In Beispiel 40 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 39 optional ferner aufweisen, dass das analoge Signal des ersten Typs ein(en) Strom ist oder aufweist, und dass das analoge Signal des zweiten Typs eine Spannung ist oder aufweist.
In Beispiel 41 kann das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 38 bis 40 optional ferner aufweisen, dass die Verstärkerschaltung einen Transimpedanzverstärker aufweist.
In Beispiel 42 kann das Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 41 optional ferner aufweisen, dass das Lichtdetektionssystem ferner einen Treiber aufweist, der eingerichtet ist zum Bereitstellen einer Impedanzanpassung zwischen einer Ausgangsimpedanz des Detektors und einer Eingangsimpedanz der Verarbeitungsschaltung.
In Beispiel 43 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 42 optional ferner aufweisen, dass der Treiber einen mit dem Detektor gekoppelten Eingang und einen mit der Verarbeitungsschaltung gekoppelten Ausgang aufweist, und dass der Eingang eine damit assoziierte Eingangsimpedanz hat und der Ausgang eine damit assoziierte Ausgangsimpedanz hat, und dass die Eingangsimpedanz größer ist als die Ausgangsimpedanz.
In Beispiel 44 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 42 oder 43 optional ferner aufweisen, dass der Treiber einen Transformator aufweist, und dass der Eingang des Transformators eine erste (primäre) Wicklung mit einer ersten Anzahl von Windungen aufweist, und dass der Ausgang des Transformators eine oder mehrere zweite (sekundäre) Wicklungen aufweist, die jeweils eine jeweilige zweite Anzahl von Windungen aufweisen (z.B. eine gleiche zweite Anzahl von Windungen oder unterschiedliche zweite Anzahlen von Windungen). Die erste Anzahl von Windungen kann größer sein als die zweite Anzahl von Windungen (z.B. größer als jede zweite Anzahl von Windungen).
In Beispiel 45 kann das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 42 oder 43 optional ferner aufweisen, dass der Treiber ein passives Netzwerk aufweist, das mindestens eine Induktivität und eine Kapazität aufweist. In einigen Aspekten kann das passive Netzwerk mittels eines gedruckten-Leiterplatten-Designs realisiert werden.
Beispiel 46 ist ein LIDAR-System aufweisend ein Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 45.
Beispiel 47 ist ein Lichtdetektionssystem aufweisend: einen Detektor eingerichtet zum Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals, wobei das empfangene Lichtsignal eine Signalkomponente und eine Rauschkomponente aufweist; und eine Verarbeitungsschaltung eingerichtet zum: Assoziieren einer Mehrzahl von Verzögerungen mit dem empfangenen Lichtsignal, um eine Mehrzahl von verzweigten Signalen bereitzustellen, wobei jedes der verzweigten Signale mit einer jeweiligen Verzögerung der Mehrzahl von Verzögerungen assoziiert ist, und Kombinieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen miteinander, um eine konstruktive Kombination der jeweiligen Signalkomponenten und eine zumindest teilweise destruktive Kombination der jeweiligen Rauschkomponenten bereitzustellen, basierend auf den jeweiligen Verzögerungen.
Die Mehrzahl der Verzögerungen kann ausgewählt werden, um eine zumindest teilweise Überlappung zwischen den jeweiligen Signalkomponenten der Mehrzahl von verzweigten Signalen bereitzustellen.
Beispiel 48 ist das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 47, das eines oder einige oder alle Merkmale des Lichtdetektionssystems gemäß einem der Beispiele 1 bis 45 aufweist.
Beispiel 49 ist ein Lichtdetektionssystem aufweisend: einen Detektor eingerichtet zum Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals; und eine Verarbeitungsschaltung eingerichtet zum: Bereitstellen eines ersten verzweigten Signals und eines zweiten verzweigten Signals, wobei das erste verzweigte Signal und das zweite verzweigte Signal repräsentativ für das empfangene Lichtsignal sind, Modifizieren des zweiten verzweigten Signals in Bezug auf das erste verzweigte Signal, und Kombinieren des ersten verzweigten Signals mit dem zweiten verzweigten Signal, um ein kombiniertes Signal bereitzustellen, wobei das zweite verzweigte Signal in Bezug auf das erste verzweigte Signal derart modifiziert ist, dass sich als Ergebnis der Kombination eine erste Signalkomponente des ersten verzweigten Signals mit einer zweiten Signalkomponente des zweiten verzweigten Signals in einer konstruktiven Weise kombiniert und eine erste Rauschkomponente des ersten verzweigten Signals mit einer zweiten Rauschkomponente des zweiten verzweigten Signals in einer zumindest teilweise destruktiven Weise kombiniert.
Beispiel 50 ist das Lichtdetektionssystem gemäß Beispiel 49, das eines oder einige oder alle Merkmale des Lichtdetektionssystems gemäß einem der Beispiele 1 bis 45 aufweist.
Beispiel 51 ist ein System aufweisend: ein Lichtdetektionssystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 45, 47, 48, 49 oder 50; und ein an dem Lichtdetektionssystem empfangenes Lichtsignal.
In Beispiel 52 kann das System gemäß Beispiel 51 optional ferner aufweisen, dass das Lichtsignal einen oder mehrere Lichtpulse aufweist (z.B. können ein oder mehrere Signalmerkmale des Lichtsignals einen oder mehrere Lichtpulse aufweisen).
In Beispiel 53 kann das System gemäß Beispiel 52 optional ferner aufweisen, dass mindestens ein Lichtpuls eine Spitzenleistung innerhalb des Bereichs von 1 W bis 100 W hat, beispielsweise innerhalb des Bereichs von 10 W bis 100 W.
In Beispiel 54 kann das System gemäß Beispiel 52 oder 53 optional ferner aufweisen, dass mindestens ein Lichtpuls eine Dauer innerhalb des Bereichs von 0,1 ns bis 100 ns hat, beispielsweise innerhalb des Bereichs von 1 ns bis 100 ns. Als ein Beispiel kann mindestens ein Lichtpuls eine Dauer von 50 ns haben.
In Beispiel 55 kann das System gemäß einem der Beispiele 51 bis 54 optional ferner aufweisen, dass das Lichtsignal einen ersten Lichtpuls und einen zweiten Lichtpuls aufweist, und dass das Kombinieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen miteinander ein Bereitstellen einer konstruktiven Kombination des ersten Lichtpulses mit dem zweiten Lichtpuls aufweist.
In Beispiel 56 kann das System gemäß Beispiel 55 optional ferner aufweisen, dass der erste Lichtpuls und der zweite Lichtpuls durch eine Zeitspanne voneinander im Abstand sind, und dass die Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Verzögern von mindestens einem verzweigten Signal in Bezug auf ein anderes verzweigtes Signal mittels einer Verzögerung, die gleich zu der Zeitspanne ist.
In Beispiel 57 kann das System gemäß Beispiel 56 optional ferner aufweisen, dass die Zeitspanne zwischen dem ersten Lichtpuls und dem zweiten Lichtpuls ausgewählt wird basierend auf einer Abweichung von einer erwarteten Verzögerung und einer tatsächlichen Verzögerung, die von der Verarbeitungsschaltung zum Verzögern des verzweigten Signals in Bezug auf das andere verzweigte Signal bereitgestellt ist.
Beispiel 58 ist ein Verfahren zum Detektieren von Licht, das Verfahren aufweisend: Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals; Bereitstellen einer Mehrzahl von verzweigten Signalen, wobei jedes der verzweigten Signale repräsentativ für das empfangene Lichtsignal ist; und Kombinieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen miteinander, um ein kombiniertes Signal bereitzustellen, wobei sich die Mehrzahl von verzweigten Signalen derart voneinander unterscheiden, dass sich als Ergebnis der Kombination jeweilige Signalkomponenten der Mehrzahl von verzweigten Signalen in einer konstruktiven Weise kombinieren und jeweilige Rauschkomponenten der Mehrzahl von verzweigten Signalen in einer zumindest teilweise destruktiven Weise kombinieren.
Beispiel 59 ist das Verfahren gemäß Beispiel 58, das eines oder einige oder alle Merkmale des Lichtdetektionssystems gemäß einem der Beispiele 1 bis 45 aufweist.
Während verschiedene Implementierungen insbesondere unter Bezugnahme auf spezifische Aspekte gezeigt und beschrieben worden sind, sollten Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail darin gemacht werden können, ohne von dem wie durch die beigefügten Ansprüche definierten Geist und Umfang abzuweichen. Der Umfang wird somit durch die beigefügten Ansprüche angegeben, und alle Änderungen, die in die Bedeutung und den Bereich einer Äquivalenz der Ansprüche fallen, sind deshalb als inbegriffen beabsichtigt.
Bezugszeichenliste

100: Lichtdetektionssystem
102: Detektor
104: empfangenes Lichtsignal
104n: Rauschkomponente
104s: Signalkomponente
106: Verarbeitungsschaltung
108: verzweigtes Signal
108-1: erstes verzweigtes Signal
108-2: zweites verzweigtes Signal
108-3: drittes verzweigtes Signal
108-4: viertes verzweigtes Signal
108n: Rauschkomponente
108s: Signalkomponente
110: kombiniertes Signal
110n: Rauschkomponente
110s: Signalkomponente
120: Verzögerungsstufe
130: Kombinationsstufe
200a-1: Diagramm
200a-2: Diagramm
200b-1: Diagramm
200b-2: Diagramm
200b-3: Diagramm
200b-4: Diagramm
200e: Diagramm
202: Detektor
204-1: emittiertes Lichtsignal
204-2: empfangenes Lichtsignal
205: Puls
206: Messelement
207: Puls
208: Verstärkerschaltung
209: Pfeil
210: verzweigte Signale
210-1: erstes verzweigtes Signal
210-2: zweites verzweigtes Signal
210-3: drittes verzweigtes Signal
210-4: viertes verzweigtes Signal
212: Verarbeitungswege
212-1: erster Verarbeitungsweg
212-2: zweiter Verarbeitungsweg
212-3: dritter Verarbeitungsweg
212-4: vierter Verarbeitungsweg
214-1: Puls
214-2: Puls
214-3: Puls
214-4: Puls
216: Verzögerungselemente
216-1: erstes Verzögerungselement
216-2: zweites Verzögerungselement
216-3: drittes Verzögerungselement
218: kombiniertes Signal
219: Pfeil
220: Modifikationsstufe
230: Kombinationsstufe
240: Verarbeitungsschaltung
300a: Lichtdetektionssystem
300b: Lichtdetektionssystem
300c: Lichtdetektionssystem
300d: Lichtdetektionssystem
300e: Lichtdetektionssystem
302: Detektor
304: Messelement
306: Verstärkerschaltung
308: Treiber
310: Trigger-Schaltung
312: Verarbeitungsweg
314: Verzögerungselemente
314-1: erstes Verzögerungselement
314-2: zweites Verzögerungselement
314-3: drittes Verzögerungselement
316: Verzögerungselemente
316-1: erstes Verzögerungselement
316-2: zweites Verzögerungselement
316-3: drittes Verzögerungselement
318: Impedanzanpassungsstufe
320a: Verzögerungsstufe
320b: Verzögerungsstufe
320c: Verzögerungsstufe
320d: Verzögerungsstufe
320e: Verzögerungsstufe
322: Verstärker
330a: Addierstufe
330b: Addierstufe
330c: Addierstufe
330d: Addierstufe
330e: Addierstufe
340a: Verarbeitungsschaltung
340b: Verarbeitungsschaltung
340c: Verarbeitungsschaltung
340d: Verarbeitungsschaltung
340e: Verarbeitungsschaltung
350-1: Diagramm
350-2: Diagramm
350-3: Diagramm
352: empfangenes Lichtsignal
353: Pfeil
354: empfangenes Lichtsignal
355: Pfeil
356: kombiniertes Signal
357: Pfeil
400a: Lichtdetektionssystem
400b: Lichtdetektionssystem
400c: Lichtdetektionssystem
400d: Lichtdetektionssystem
400e: Lichtdetektionssystem
402a: Detektor
402b: Detektor
402c: Detektor
402d: Detektor
402e: Detektor
404: Verarbeitungsschaltung
406: Verzögerungsstufe
408: Addierstufe
410-1: erstes Verzögerungselement
410-2: zweites Verzögerungselement
412: Messelement
412-1: erstes Messelement
412-2: zweites Messelement
414: Verstärkerschaltung
414-1: erste Verstärkerschaltung
414-2: zweite Verstärkerschaltung
416-1: erstes Lichtsignal
416-2: zweites Lichtsignal
418-1: erstes Verzögerungselement
418-2: zweites Verzögerungselement
418-3: drittes Verzögerungselement
418-4: viertes Verzögerungselement
500a: Verzögerungsstufe-Bauteil
500b: Verzögerungsstufe-Bauteil
500c: Verzögerungsstufe-Bauteil
502: Verzögerungselemente
504: Schaltung
506: Eingang
508: Ausgang
510: gedruckte Leiterplatte
600a-1: Diagramm
600a-2: Diagramm
600a-3: Diagramm
600a-4: Diagramm
600b-1: Diagramm
600b-2: Diagramm
600c-1: Diagramm
600c-2: Diagramm
600c-3: Diagramm
600d-1: Diagramm
600d-2: Diagramm
600d-3: Diagramm
602: Lichtpuls
604: empfangener Lichtpuls
606-1: erster Lichtpuls
606-2: zweiter Lichtpuls
608-1: erster empfangener Lichtpuls
608-2: zweiter empfangener Lichtpuls
610-1: erster Lichtpuls
610-2: zweiter Lichtpuls
612-1: kombinierter Lichtpuls
612-2: kombinierter Lichtpuls
612-3: kombinierter Lichtpuls
614: Hauptpuls
616: zusätzliche Pulse
618: Signal
619: Pfeil
620: kombiniertes Signal
621: Pfeil
622: Hauptpuls
624: zusätzliche Pulse
626: Signal
627: Pfeil
628: kombiniertes Signal
629: Pfeil

Claims

Lichtdetektionssystem (100, 300a-300e, 400a-400d) aufweisend: einen Detektor (102, 202, 302, 402a-402d) eingerichtet zum Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals (104, 204-2); und eine Verarbeitungsschaltung (106, 240, 340a-340e, 404) eingerichtet zum: Bereitstellen einer Mehrzahl von verzweigten Signalen (108, 210), wobei jedes der verzweigten Signale (108, 210) repräsentativ für das empfangene Lichtsignal (104, 204-2) ist; und Kombinieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen (108, 210) miteinander, um ein kombiniertes Signal (110, 218) bereitzustellen, wobei sich die Mehrzahl von verzweigten Signalen (108, 210) derart voneinander unterscheiden, dass sich als Ergebnis der Kombination jeweilige Signalkomponenten (108s) der Mehrzahl von verzweigten Signalen (108, 210) in einer konstruktiven Weise kombinieren und jeweilige Rauschkomponenten (108n) der Mehrzahl von verzweigten Signalen (108, 210) in einer zumindest teilweise destruktiven Weise kombinieren.
Lichtdetektionssystem (100, 300a-300e, 400a-400d) gemäß Anspruch 1, wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 240, 340a-340e, 404) eingerichtet ist zum Verzögern der Mehrzahl von verzweigten Signalen (108, 210) in Bezug aufeinander, und wobei eine Verzögerung zwischen verschiedenen verzweigten Signalen (108, 210) derart ist, dass sich als Ergebnis der Kombination die Signalkomponenten (108s) der verzweigten Signale (108, 210) konstruktiv kombinieren und die Rauschkomponenten (108n) der verzweigten Signale (108, 210) zumindest teilweise destruktiv kombinieren.
Lichtdetektionssystem (100, 300a-300e, 400a-400d) gemäß Anspruch 2, wobei das empfangene Lichtsignal (104, 204-2) ein oder mehrere Signalmerkmale aufweist, wobei jedes verzweigte Signal (108, 210) ein oder mehrere jeweilige Signalmerkmale aufweist, die das eine oder die mehreren Signalmerkmale des empfangenen Lichtsignals (104, 204-2) repräsentieren, und wobei die jeweiligen ein oder mehreren Signalmerkmale eines verzweigten Signals (108, 210) zeitverschoben sind in Bezug auf die jeweiligen ein oder mehreren Signalmerkmale jedes anderen verzweigten Signals (108, 210).
Lichtdetektionssystem (100, 300a-300e, 400a-400d) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei das Bereitstellen der Mehrzahl von verzweigten Signalen (108, 210) aufweist ein Verzögern des empfangenen Lichtsignals (104, 204-2) mittels einer oder mehrerer vorbestimmten Verzögerungen, und wobei mindestens eine vorbestimmte Verzögerung der einen oder mehreren Verzögerungen innerhalb des Bereichs von 0,1 ns bis 200 ns ist.
Lichtdetektionssystem (100, 300a-300e, 400a-400d) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 240, 340a-340e, 404) eine Verzögerungsstufe (120, 220, 320a-320e, 406) aufweist, die eingerichtet ist zum Empfangen des empfangenen Lichtsignals (104, 204-2) und zum Ausgeben der Mehrzahl von verzweigten Signalen (108, 210), wobei die Verzögerungsstufe (120, 220, 320a-320e, 406) ein oder mehrere Verzögerungselemente (216, 314, 410-1, 410-2) aufweist, wobei jedes Verzögerungselement mit einer jeweiligen Verzögerung assoziiert ist.
Lichtdetektionssystem (100, 300a-300e, 400a-400d) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 240, 340a-340e, 404) eine Addierstufe (130, 230, 330a-330e, 408) aufweist, die eingerichtet ist zum Empfangen der Mehrzahl von verzweigten Signalen (108, 210) und eingerichtet ist zum Ausgeben des kombinierten Signals (110, 218).
Lichtdetektionssystem (100, 300a-300e, 400a-400d) gemäß den Ansprüchen 5 und 6, wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 240, 340a-340e, 404) ferner eine Impedanzanpassungsstufe (318) aufweist, welche zwischen die Verzögerungsstufe (120, 220, 320a-320e, 406) und die Addierstufe (130, 230, 330a-330e, 408) gekoppelt ist, wobei die Impedanzanpassungsstufe (318) eingerichtet ist zum Anpassen der Ausgangsimpedanz der Verzögerungsstufe (120, 220, 320a-320e, 406) an die Eingangsimpedanz der Addierstufe (130, 230, 330a-330e, 408).
Lichtdetektionssystem (100, 300a-300e, 400a-400d) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 240, 340a-340e, 404) eingerichtet ist zum Kombinieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen (108, 210) mit einer Mehrzahl von einstellbaren Verstärkungen.
Lichtdetektionssystem (100, 300a-300e, 400a-400d) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 240, 340a-340e, 404) ferner eingerichtet ist zum Generieren eines Trigger-Signals, um eine mit dem empfangenen Lichtsignal (104, 204-2) assoziierte Laufzeitmessung zu stoppen, mittels einer Signalkomponente (110s) des kombinierten Signals (110, 218).
Lichtdetektionssystem (100, 300a-300e, 400a-400d) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Lichtdetektionssystem (100, 300a-300e, 400a-400d) ferner einen Treiber (308) aufweist, der eingerichtet ist zum Bereitstellen einer Impedanzanpassung zwischen einer Ausgangsimpedanz des Detektors (102, 202, 302, 402a-402d) und einer Eingangsimpedanz der Verarbeitungsschaltung (106, 240, 340a-340e, 404).
LIDAR-System aufweisend ein Lichtdetektionssystem (100, 300a-300e, 400a-400d) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
System aufweisend: ein Lichtdetektionssystem (100, 300a-300e, 400a-400d) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10; und ein an dem Lichtdetektionssystem (100, 300a-300e, 400a-400d) empfangenes Lichtsignal, wobei das Lichtsignal einen ersten Lichtpuls und einen zweiten Lichtpuls aufweist, die durch eine Zeitspanne voneinander im Abstand sind, und wobei die Verarbeitungsschaltung (106, 240, 340a-340e, 404) eingerichtet ist zum Verzögern von mindestens einem verzweigten Signal (108, 210) in Bezug auf ein anderes verzweigtes Signal (108, 210) mittels einer Verzögerung, die gleich zur Zeitspanne ist.
System gemäß Anspruch 12, wobei die Zeitspanne zwischen dem ersten Lichtpuls und dem zweiten Lichtpuls ausgewählt wird basierend auf einer Abweichung von einer erwarteten Verzögerung und einer tatsächlichen Verzögerung, die von der Verarbeitungsschaltung (106, 240, 340a-340e, 404) zum Verzögern des verzweigten Signal (108, 210) in Bezug auf das andere verzweigte Signal (108, 210) bereitgestellt ist.
Verfahren zum Detektieren von Licht, das Verfahren aufweisend: Bereitstellen eines empfangenen Lichtsignals; Bereitstellen einer Mehrzahl von verzweigten Signalen, wobei jedes der verzweigten Signale repräsentativ für das empfangene Lichtsignal ist; und Kombinieren der Mehrzahl von verzweigten Signalen miteinander, um ein kombiniertes Signal bereitzustellen, wobei sich die Mehrzahl von verzweigten Signalen derart voneinander unterscheiden, dass sich als Ergebnis der Kombination jeweilige Signalkomponenten der Mehrzahl von verzweigten Signalen in einer konstruktiven Weise kombinieren und jeweilige Rauschkomponenten der Mehrzahl von verzweigten Signalen in einer zumindest teilweise destruktiven Weise kombinieren.
Verfahren gemäß Anspruch 14, ferner aufweisend: Verzögern der Mehrzahl von verzweigten Signalen in Bezug auf einander, wobei eine Verzögerung zwischen verschiedenen verzweigten Signalen derart ist, dass sich als Ergebnis der Kombination die Signalkomponenten der verzweigten Signale konstruktiv kombinieren und die Rauschkomponenten der verzweigten Signale zumindest teilweise destruktiv kombinieren.