DE102021111820A1 - LiDAR sensor system - Google Patents

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Sebastian BANZHAF
Oliver Kern
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-Sensor-System (1) aufweisend eine Sendeeinheit (3) mit einer Laserquelle (2), einem Phasenmodulator (7) zum Modulieren einer Phase des Lichts der Laserquelle (2) mit einem Phasencode (110) und einer Sendeoptik (5) zum Aussenden des von dem Phasenmodulator (7) modulierten Lichts in eine Umgebung (10) des LiDAR-Sensor-Systems (1), eine Empfangseinheit (4) mit einer Empfangsoptik (6) zum Empfangen von an einem Objekt (11) der Umgebung (10) reflektierten Licht und mit einer Auswerteeinheit (8) zum Auswerten des von der Empfangsoptik (6) empfangen Lichts, wobei der Phasencode (110) zumindest eine Wiederholung einer Vielzahl von verschachtelten Einzelcodes (A, B) beinhaltet, wobei die Einzelcodes (A, B) unterschiedliche Codelängen (a, b) aufweisen, und wobei die Auswerteeinheit (8) ausgebildet ist, ein empfangenes Lichtsignal (120) in die Einzelcodes (A, B) des Phasencodes (110) aufzuteilen, anhand von zumindest einem wiederholten Einzelcode (A, B), insbesondere anhand von jedem wiederholten Einzelcode (A, B), eine Dopplerfrequenz (fD) zu ermitteln, und anhand einer Korrelation des empfangenen Lichtsignals (120) mit dem durch die Dopplerfrequenz (fD) korrigierten Phasencode (110) eine Entfernung (d) zu dem Objekt (11) zu bestimmen.The present invention relates to a LiDAR sensor system (1) having a transmitter unit (3) with a laser source (2), a phase modulator (7) for modulating a phase of the light from the laser source (2) with a phase code (110) and a Transmitting optics (5) for emitting the light modulated by the phase modulator (7) into an environment (10) of the LiDAR sensor system (1), a receiving unit (4) with receiving optics (6) for receiving on an object (11 ) of the surroundings (10) and with an evaluation unit (8) for evaluating the light received by the receiving optics (6), the phase code (110) containing at least one repetition of a large number of nested individual codes (A, B), the Individual codes (A, B) have different code lengths (a, b), and wherein the evaluation unit (8) is designed to divide a received light signal (120) into the individual codes (A, B) of the phase code (110) based on at least one repeated single code (A, B ), in particular on the basis of each repeated individual code (A, B), to determine a Doppler frequency (fD), and on the basis of a correlation of the received light signal (120) with the phase code (110) corrected by the Doppler frequency (fD) to determine a distance (d) to the object (11).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-Sensor-System. Das LiDAR-Sensor-System ist insbesondere in einem Fahrzeug verwendbar. Das LiDAR-Sensor-System ermöglicht eine zuverlässige Dopplerkompensation.The present invention relates to a LiDAR sensor system. The LiDAR sensor system can be used in particular in a vehicle. The LiDAR sensor system enables reliable Doppler compensation.

Stand der TechnikState of the art

Aus dem Stand der Technik sind LiDAR-Sensor-Systeme bekannt. Diese arbeiten zumeist nach dem „direct detection“-Prinzip, bei dem eine Intensität eines zurückreflektierten Lichts detektiert wird, um auf ein Objekt in der Umgebung zu schließen. Außerdem sind LiDAR-Systeme bekannt, die kohärente Empfänger aufweisen. Solche Systeme senden frequenzmodulierte Signale aus, um einerseits einen Abstand zu dem detektierten Objekt, andererseits eine Geschwindigkeit des detektierten Objekts erfassen zu können. Das zugrunde liegende Verfahren „frequency modulated continuous wave (FMCW)“ ist bereits aus der Radartechnik bekannt. Alternativ zur Frequenzmodulation lassen sich auch Phasencodes einsetzen, bei denen die Phase des ausgesandten Lichts moduliert wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der WO 2018/144853 A1 bekannt.LiDAR sensor systems are known from the prior art. These mostly work according to the "direct detection" principle, in which an intensity of a reflected light is detected in order to infer an object in the environment. In addition, LiDAR systems are known that have coherent receivers. Such systems emit frequency-modulated signals in order to be able to detect a distance from the detected object on the one hand and a speed of the detected object on the other. The underlying method "frequency modulated continuous wave (FMCW)" is already known from radar technology. As an alternative to frequency modulation, phase codes can also be used, in which the phase of the emitted light is modulated. Such a method is, for example, from WO 2018/144853 A1 known.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Das erfindungsgemäße LiDAR System ermöglicht die zuverlässige Schätzung von Distanzen und Geschwindigkeiten von Zielen bei phasenmodulierten Lichtsignalen. Dies wird dadurch erreicht, dass durch ein geeignetes Auswählen eines Phasencodes ein empfangenes Lichtsignal vereinfacht verarbeitet werden kann. Auf diese Weise ist insbesondere eine zuverlässige und aufwandsarme Dopplerschätzung ermöglicht, die ein anschließendes zuverlässiges Ermitteln der Lichtlaufzeit, auch Time of Flight genannt, und damit der Entfernung eines Objekts von dem LiDAR-System sicherstellt.The LiDAR system according to the invention enables the reliable estimation of distances and speeds of targets with phase-modulated light signals. This is achieved in that a received light signal can be processed in a simplified manner by suitably selecting a phase code. In this way, in particular, a reliable and low-effort Doppler estimation is made possible, which ensures a subsequent reliable determination of the light propagation time, also called time of flight, and thus the distance of an object from the LiDAR system.

Das LiDAR-Sensor-System weist eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit auf. Die Sendeeinheit wiederum weist eine Laserquelle, einen Phasenmodulator und eine Sendeoptik auf. Der Phasenmodulator dient zum Modulieren einer Phase des Lichts der Laserquelle mit einem Phasencode. Die Sendeoptik dient zum Aussenden des von dem Phasenmodulator modulierten Lichts in eine Umgebung des LiDAR-Sensor-Systems. Das von der Sendeeinheit in die Umgebung ausgesandte Licht weist somit einen Phasencode auf, der durch den Phasenmodulator eingebracht wird.The LiDAR sensor system has a transmitter unit and a receiver unit. The transmission unit in turn has a laser source, a phase modulator and transmission optics. The phase modulator serves to modulate a phase of the light from the laser source with a phase code. The transmission optics are used to emit the light modulated by the phase modulator into an area surrounding the LiDAR sensor system. The light emitted by the transmitter unit into the environment thus has a phase code that is introduced by the phase modulator.

Die Empfangseinheit weist eine Empfangsoptik und eine Auswerteeinheit auf. Die Empfangsoptik dient zum Empfangen von Licht aus der Umgebung. Insbesondere lässt sich somit reflektiertes Licht empfangen, das von der Sendeeinheit ausgesandt und an einem Objekt in der Umgebung reflektiert wurde. Die Auswerteeinheit dient zum Auswerten des von der Empfangsoptik empfangenen Lichts, wobei das empfangene Licht insbesondere ein Lichtsignal darstellt.The receiving unit has receiving optics and an evaluation unit. The receiving optics are used to receive light from the environment. In particular, it is thus possible to receive reflected light that was emitted by the transmission unit and reflected on an object in the vicinity. The evaluation unit is used to evaluate the light received by the receiving optics, with the received light representing in particular a light signal.

Wie eingangs bereits beschrieben, ist das empfangene Lichtsignal zum einen zeitverschoben, wobei sich in der Zeitverschiebung die Entfernung zu dem das Licht reflektierenden Objekts wiederspiegelt, und außerdem aufgrund des Dopplereffekts frequenzverschoben. Eine FFT-Analyse des empfangenen Signals würde aufgrund des Spektrums des Phasencodes zu einer schwer oder gar nicht zu detektierenden Dopplerfrequenz führen. Daher ist vorgesehen, dass ein passend gewählter Phasencode verwendet wird, der eine Dopplerschätzung zuverlässig und aufwandsarm ermöglicht. Der Phasencode beinhaltet dazu zumindest eine Wiederholung einer Vielzahl von verschachtelten Einzelcodes. Besonders vorteilhaft werden zwei Einzelcodes verschachtelt, um den Phasencode zu bilden. Alle verwendeten Einzelcodes weisen unterschiedliche Codelängen auf.As already described above, the received light signal is time-shifted, with the distance to the object reflecting the light being reflected in the time shift, and also frequency-shifted due to the Doppler effect. An FFT analysis of the received signal would result in a Doppler frequency that is difficult or impossible to detect due to the spectrum of the phase code. It is therefore provided that a suitably selected phase code is used, which enables Doppler estimation to be carried out reliably and with little effort. For this purpose, the phase code contains at least one repetition of a multiplicity of interleaved individual codes. Two individual codes are particularly advantageously interleaved in order to form the phase code. All the individual codes used have different code lengths.

Die Auswerteeinheit ist ausgebildet, ein empfangenes Lichtsignal in die Einzelcodes des Phasencodes aufzuteilen und anhand von zumindest einem wiederholten Einzelcode, insbesondere anhand von jedem wiederholten Einzelcode, eine Dopplerfrequenz zu ermitteln. Ist das Lichtsignal in die Einzelcodes aufgeteilt, so ist die Wiederholung der Einzelcodes ein Hilfsmittel zur Abschätzung der Dopplerfrequenz. Durch die Wiederholung der Einzelcodes wird eine vom Phasencode selbst unbeeinflusste Dopplerschätzung möglich, da die Datenwerte entlang der Code Wiederholdauern stets die gleichen Phasenwerte aufweisen.The evaluation unit is designed to split a received light signal into the individual codes of the phase code and to determine a Doppler frequency using at least one repeated individual code, in particular using each repeated individual code. If the light signal is divided into the individual codes, the repetition of the individual codes is an aid to estimating the Doppler frequency. The repetition of the individual codes enables a Doppler estimation unaffected by the phase code itself, since the data values along the code repetition times always have the same phase values.

Ist die Dopplerfrequenz bekannt, so ist die Auswerteeinheit ausgebildet, anhand einer Korrelation des empfangenen Lichtsignals mit dem durch die Dopplerfrequenz korrigierten Phasencode eine Entfernung zu dem Objekt zu bestimmen. Somit ist ein zweistufiges Auswerten des empfangenen Lichtsignals vorgesehen, wobei in einer ersten Stufe aufgrund der bekannten Wiederholung der Einzelcodes die Dopplerfrequenz geschätzt wird, um im Anschluss die Lichtlaufzeit und damit die Entfernung zu dem Objekt zu ermitteln. Beide Stufen lassen sich aufwandsarm durchführen, sodass insbesondere bei Verwendung eines Steuergerätes eines Fahrzeugs als Auswerteeinheit die Anforderungen an die Rechenleistung minimiert sind. Gleichzeitig ist aber eine zuverlässige Ermittlung der Entfernung erreicht.If the Doppler frequency is known, the evaluation unit is designed to determine a distance to the object based on a correlation of the received light signal with the phase code corrected by the Doppler frequency. A two-stage evaluation of the received light signal is therefore provided, with the Doppler frequency being estimated in a first stage based on the known repetition of the individual codes in order to subsequently determine the light propagation time and thus the distance to the object. Both stages can be carried out with little effort, so that the demands on the computing power are minimized, particularly when using a control unit of a vehicle as the evaluation unit. At the same time, however, a reliable determination of the distance is achieved.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Einzelcodes jeweils mehrere Codesymbole aufweisen. Die Codelänge jedes Einzelcodes entspricht der Anzahl an Codesymbolen. Der Phasencode ist durch aneinanderreihen der Codesymbole abwechselnd von den jeweiligen Einzelcodes gebildet ist. Sobald alle Codesymbole eines Einzelcodes verwendet wurden, erfolgt eine Wiederholung dieses Einzelcodes. Auf diese Weise sind die Einzelcodes ineinander verschachtelt und bilden den Phasencode.It is preferably provided that the individual codes each have a plurality of code symbols. The code length of each individual code corresponds to the number of code symbols. The phase code is formed by alternatingly lining up the code symbols from the respective individual codes. As soon as all code symbols of an individual code have been used, this individual code is repeated. In this way, the individual codes are interleaved and form the phase code.

Die Auswerteeinheit ist vorteilhafterweise ausgebildet, für zumindest ein Codesymbol pro Einzelcode ein Spektrum aus denselben wiederholten Codesymbolen des empfangenen Lichtsignals zu ermitteln. Es ist bekannt, dass die Einzelcodes verschachtelt vorliegen, so dass sich jedes Codesymbol im empfangenen Lichtsignal nach einer jeweiligen Widerholdauer des zugehörigen Einzelcodes im Phasencode wiederholt. Erfolgt eine Betrachtung lediglich dieser wiederholten Codesymbole als Signal, so lässt sich die Dopplerverschiebung des empfangenen Lichtsignals isolieren, da der Phasencode stets den gleichen Phasenwert aufweist und somit effektiv in dem betrachteten Signal nicht vorhanden ist. Die Auswerteeinheit ist daher ausgebildet, anhand der ermittelten Spektren die Dopplerfrequenz zu schätzen.The evaluation unit is advantageously designed to determine a spectrum from the same repeated code symbols of the received light signal for at least one code symbol per individual code. It is known that the individual codes are interleaved, so that each code symbol in the received light signal is repeated in the phase code after a respective repetition period of the associated individual code. If only these repeated code symbols are considered as a signal, then the Doppler shift of the received light signal can be isolated since the phase code always has the same phase value and is therefore effectively not present in the signal under consideration. The evaluation unit is therefore designed to estimate the Doppler frequency based on the determined spectra.

Die Auswerteeinheit weist besonders vorteilhaft einen Photodetektor sowie eine Auswertelogik auf. Die Auswertelogik umfasst insbesondere einen Analog-Digital-Umsetzer und einen digitalen Signalprozessor.The evaluation unit particularly advantageously has a photodetector and evaluation logic. The evaluation logic includes, in particular, an analog/digital converter and a digital signal processor.

Bevorzugt weisen die Einzelcodes dieselbe Bandbreite auf. Auf diese Weise ist die Verarbeitung des empfangenen Lichtsignals zum Schätzen der Dopplerfrequenz vereinfacht. Insbesondere ist eine notwendige Rechenleistung der Auswerteeinheit minimiert.The individual codes preferably have the same bandwidth. In this way, the processing of the received light signal for estimating the Doppler frequency is simplified. In particular, the necessary computing power of the evaluation unit is minimized.

Jeder Einzelcode ist bevorzugt durch einen Biphasencode oder durch einen Polyphasencode gebildet. Bei dem Biphasencode handelt es sich bevorzugt um eine Maximum Length Sequence oder um eine Gold-Sequenz oder eine Kasami-Sequenz. Bei dem Polyphasencode handelt es sich insbesondere um einen Frank-Code oder um einen P1-Code oder um einen P2-Code oder um einen P3-Code oder um einen P4-Code oder um einen Chu-Zadoff-Code.Each individual code is preferably formed by a biphase code or by a polyphase code. The biphase code is preferably a maximum length sequence or a Gold sequence or a Kasami sequence. The polyphase code is in particular a Frank code or a P1 code or a P2 code or a P3 code or a P4 code or a Chu-Zadoff code.

Die Codelängen sind ganzzahlig. Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass die Codelängen keine gemeinsamen Primfaktoren aufweisen und/oder es sich bei den Codelängen bevorzugt um Primzahlen handelt. Dies ermöglicht eine aufwandsarme eindeutige Dopplerschätzung.The code lengths are integers. In addition, it is preferably provided that the code lengths do not have any common prime factors and/or the code lengths are preferably prime numbers. This enables an unambiguous Doppler estimation with little effort.

Eine Gesamtdauer des Phasencodes beträgt bevorzugt zwischen 3 µs bis 20 µs. Durch eine derartige Gesamtdauer wird für typische Anwendungsfälle eine robuste Signalverarbeitung ermöglicht.A total duration of the phase code is preferably between 3 μs and 20 μs. Such an overall duration enables robust signal processing for typical applications.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit ein einfacher Demodulator ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Auswerteeinheit ein komplexer Demodulator. Bereits die Verwendung eines einfachen Demodulators ermöglicht eine zuverlässige Entfernungsschätzung sowie zumindest eine betragsmäßige Geschwindigkeitsschätzung des detektierten Objekts in der Umgebung. Wird ein komplexer Demodulator verwendet, so ist auch eine vorzeichenrichtige Schätzung der Geschwindigkeit des Objekts ermöglicht.Provision is preferably made for the evaluation unit to be a simple demodulator. Alternatively or additionally, the evaluation unit is a complex demodulator. Even the use of a simple demodulator enables a reliable distance estimation and at least an absolute estimation of the speed of the detected object in the area. If a complex demodulator is used, it is also possible to estimate the speed of the object with the correct sign.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug. Das Fahrzeug weist ein LiDAR-Sensor-System wie zuvor beschrieben auf. Somit ist eine sichere und zuverlässige Detektion von Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs sichergestellt, wobei die Kosten für das Fahrzeug aufgrund des zuvor beschriebenen Aufbaues des LiDAR-Sensor-Systems minimiert sind.The invention also relates to a vehicle. The vehicle has a LiDAR sensor system as previously described. This ensures safe and reliable detection of objects in the area surrounding the vehicle, with the costs for the vehicle being minimized due to the structure of the LiDAR sensor system described above.

Figurenlistecharacter list

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

  • 1 eine schematische Abbildung eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 2 eine schematische Ansicht einer ersten Alternative des LiDAR-Sensor-Systems des Fahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 3 eine schematische Ansicht eines Aufbaus eines verwendeten Phasencodes,
  • 4 eine schematische Darstellung der Dopplerschätzung im Frequenzraum,
  • 5 einen schematischen Ablaufplan der Signalverarbeitung zur Dopplerschätzung,
  • 6 eine schematische Ansicht einer zweiten Alternative des LiDAR-Sensor-Systems des Fahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 7 eine schematische Darstellung einer Variante der Dopplerschätzung, und
  • 8 eine schematische Darstellung einer Variante der Signalverarbeitung zur Dopplerschätzung.
Exemplary embodiments of the invention are described in detail below with reference to the accompanying drawings. In the drawing is:
  • 1 a schematic illustration of a vehicle according to an embodiment of the invention,
  • 2 a schematic view of a first alternative of the LiDAR sensor system of the vehicle according to the embodiment of the invention,
  • 3 a schematic view of a structure of a phase code used,
  • 4 a schematic representation of the Doppler estimation in the frequency domain,
  • 5 a schematic flow chart of the signal processing for Doppler estimation,
  • 6 a schematic view of a second alternative of the LiDAR sensor system of the vehicle according to the embodiment of the invention,
  • 7 a schematic representation of a variant of Doppler estimation, and
  • 8th a schematic representation of a variant of the signal processing for Doppler estimation.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt schematisch ein Fahrzeug 9 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Fahrzeug 9 wiederum weist ein LiDAR-Sensor-System 1 auf. Mit dem LiDAR-Sensor-System 1 sind Objekte 11 in einer Umgebung 10 des LiDAR-Sensor-Systems 1 und damit des Fahrzeugs 9 detektierbar. 1 FIG. 1 schematically shows a vehicle 9 according to an exemplary embodiment of the invention. The vehicle 9 in turn has a LiDAR sensor system 1 . Objects 11 in an environment 10 of the LiDAR sensor system 1 and thus of the vehicle 9 can be detected with the LiDAR sensor system 1 .

Das LiDAR-Sensor-System 1 weist eine Sendeeinheit 3 sowie eine Empfangseinheit 4 auf. Die Sendeeinheit 3 dient zum Aussenden eines Lichtsignals, das von dem Objekt 11 reflektiert wird, so dass dieses reflektierte Signal von der Empfangseinheit 4 empfangbar ist. Anhand einer Zeitverschiebung zwischen dem ausgesandten Signal und dem empfangenen Signal lässt sich auf die Lichtlaufzeit und damit auf die Entfernung dzwischen LiDAR-Sensor-System 1 und Objekt 11 rückschließen. Der auftretende Dopplereffekt ermöglicht außerdem eine Abschätzung der Geschwindigkeit v, mit der sich das Objekt 11 bewegt.The LiDAR sensor system 1 has a transmitter unit 3 and a receiver unit 4 . The transmitter unit 3 is used to emit a light signal which is reflected by the object 11 so that this reflected signal can be received by the receiver unit 4 . Based on a time shift between the transmitted signal and the received signal, conclusions can be drawn about the light propagation time and thus about the distance d between LiDAR sensor system 1 and object 11 . The Doppler effect that occurs also enables the speed v at which the object 11 is moving to be estimated.

Im Grundsatz ist vorgesehen, dass das LiDAR-Sensor-System 1 nach kohärenten Phasencode-Ansätzen arbeitet, so dass ein ausgesandtes Laserlicht in seiner Phase variiert wird. Eine erste Alternative der Umsetzung eines solchen LiDAR-Sensor-Systems 1 ist in 2 gezeigt. Das LiDAR-Sensor-System 1 gemäß der ersten Alternative weist, wie zuvor beschrieben, die Sendeeinheit 3 und die Empfangseinheit 4 auf. Die Sendeeinheit 3 umfasst eine Laserquelle 2, einen Phasenmodulator 7 und eine Sendeoptik 5. Die Empfangseinheit 4 weist eine Empfangsoptik 6 sowie eine Auswerteeinheit 8 auf.In principle, it is provided that the LiDAR sensor system 1 works according to coherent phase code approaches, so that the phase of an emitted laser light is varied. A first alternative for the implementation of such a LiDAR sensor system 1 is in 2 shown. As described above, the LiDAR sensor system 1 according to the first alternative has the transmission unit 3 and the reception unit 4 . The transmission unit 3 comprises a laser source 2, a phase modulator 7 and a transmission optics 5. The reception unit 4 has a reception optics 6 and an evaluation unit 8.

Um ein Lichtsignal mittels der Sendeeinheit 3 auszusenden, ist zunächst vorgesehen, dass mittels der Laserquelle 2 Laserlicht ausgesandt wird. Dieses Licht wird von einem Splitter 12 sowohl zu der Empfangseinheit 4 als auch zu dem Phasenmodulator 7 geleitet. Der Phasenmodulator 7 dient zum Modulieren der Phase des Lichts der Laserquelle 2, um somit einen Phasencode 110 zu generieren. Anschließend wird das derartig modulierte Licht von der Sendeoptik 5 in die Umgebung 10 ausgesandt.In order to emit a light signal by means of the transmitter unit 3, it is initially provided that laser light is emitted by means of the laser source 2. This light is guided by a splitter 12 both to the receiving unit 4 and to the phase modulator 7 . The phase modulator 7 is used to modulate the phase of the light from the laser source 2 in order to generate a phase code 110 in this way. The light modulated in this way is then emitted by the transmission optics 5 into the environment 10 .

Das ausgesandte Licht wird von einem Objekt 11 in der Umgebung 10 reflektiert und gelangt somit zur Empfangsoptik 6 der Empfangseinheit 4. Von dort gelangt das empfangene Lichtsignal zu einem Koppler 13, der das über dem Splitter 12 abgezweigte Licht der Laserquelle 2 einkoppelt. Über die Auswerteeinheit 8 kann schließlich eine Auswertung des empfangenen Signals erfolgen. Die Auswerteeinheit 8 weist einen Photodetektor 8a und eine Auswertelogik mit einem Analog-Digital-Umsetzer 8b und einem Digitalsignalprozessor 8c auf.The emitted light is reflected by an object 11 in the surroundings 10 and thus reaches the receiving optics 6 of the receiving unit 4. From there, the received light signal reaches a coupler 13, which couples in the light from the laser source 2 branched off via the splitter 12. Finally, the received signal can be evaluated via the evaluation unit 8 . The evaluation unit 8 has a photodetector 8a and evaluation logic with an analog/digital converter 8b and a digital signal processor 8c.

Die Empfangseinheit 4 empfängt somit ein Lichtsignal 120, das gegenüber dem ausgesandten Signal und damit gegenüber dem Phasencode 110 zeitverzögert und dopplerverschoben ist. Zur Ermittlung der Entfernung d des Objekts 11 wird daher zunächst die Dopplerfrequenz geschätzt, um anschließend die Entfernung dzu ermitteln.The receiving unit 4 thus receives a light signal 120 which is time-delayed and Doppler-shifted in relation to the transmitted signal and thus in relation to the phase code 110 . To determine the distance d of the object 11, the Doppler frequency is therefore first estimated in order to then determine the distance d.

Ausgangspunkt ist somit das empfangene Lichtsignal 120, das mittels der Empfangseinheit 4 aus der Umgebung empfangen wurde. Weiterhin ist der Phasencode 110 bekannt, der zum Generieren der Sendesequenz verwendet wurde. Der Phasencode 110 ist beispielsweise eine biphasige PN-Code-Sequenz, die von dem Phasenmodulator 7 auf einen Träger moduliert ist. Die so generierte Sendesequenz wird ausgesendet und gedämpft, zeitverzögert und dopplerverschoben als Lichtsignal 120 wieder empfangen. Das Lichtsignal 120 lässt sich als digitales Signal cRX mathematisch wie folgt beschreiben: c R X ( k ) = A ^ C c o s ( ω D k T S + ω 0 τ ϕ ( k T S τ ) ) + n C ( k )

Figure DE102021111820A1_0001

k:
Digitale Laufvariable k ∈ N0,
Ts:
Abtastintervall; Entspricht invertiert der Abtastzeit: fs = 1/Ts,
Â:
Signalamplitude, beinhaltet Dämpfung über Signalpfad, Verstärkung im Mischprozess und durch Verstärker, etc.,
ωD:
Kreisfrequenz der Doppler-Frequenz:
ω0τ:
Phasenverschiebung resultierend aus Time of Flight bezogen auf Kreisträgerfrequenz,
n(k):
Zusammengefasstes diskretisiertes Rauschen (Schrotrauschen, thermisches Rauschen, Phasenrauschen),
ϕ(kTs - τ):
Zeitverschobener Phasencode.
The starting point is thus the received light signal 120, which was received by the receiving unit 4 from the environment. Also known is the phase code 110 used to generate the transmit sequence. The phase code 110 is, for example, a biphasic PN code sequence modulated by the phase modulator 7 onto a carrier. The transmission sequence generated in this way is transmitted and attenuated, time-delayed and Doppler-shifted as a light signal 120 and received again. The light signal 120 can be described mathematically as a digital signal c RX as follows: c R X ( k ) = A ^ C c O s ( ω D k T S + ω 0 τ ϕ ( k T S τ ) ) + n C ( k )
Figure DE102021111820A1_0001
c:
digital running variable k ∈ N 0 ,
Ts:
sampling interval; Corresponds to the inverse of the sampling time: f s = 1/T s ,
Â:
Signal amplitude, includes attenuation over the signal path, amplification in the mixing process and through amplifiers, etc.,
ωD:
Angular frequency of the Doppler frequency:
ω0τ:
Phase shift resulting from time of flight related to circular carrier frequency,
n(k):
Summarized discretized noise (shot noise, thermal noise, phase noise),
ϕ(kTs - τ):
Time-Shifted Phase Code.

Zum besseren Verständnis der nachfolgenden Ausführungen werden zusätzlich folgende Formelzeichen übersichtlich eingeführt

a:
Länge des ersten Einzelcodes A; a ∈ N,
b:
Länge des zweiten Einzelcodes B; b ∈ N,
NSC:
Länge eines Einzelcodes allgemein, wobei SC für single code, also Einzelcode, steht; NSC ∈ N,
TA:
Zeitdauer des ersten Einzelcodes A,
TB:
Zeitdauer des zweiten Einzelcodes B,
Tx:
Zeitdauer eines Einzelcodes allgemein,
T'A:
Zeitdauer des ersten Einzelcodes A im Phasencode 110,
T'B:
Zeitdauer des zweiten Einzelcodes B im Phasencode 110,
T'x:
Zeitdauer eines Einzelcodes allgemein im Phasencode 110,
BC:
Code-Bandbreite allgemein,
BCn:
Code-Bandbreite des n-ten Codes; n ∈ N,
NTC:
Länge des Phasencodes 120, wobei TC für total code, also Gesamtcode, steht; NTC ∈ N,
TTC:
Zeitdauer des Phasencodes 110,
τ
Time of Flight / Signallaufzeit,
τmax
maximal mögliche Time of Flight / Signallaufzeit,
d
Entfernung zum Objekt 11,
dmax
maximal zulässige bzw. zu erwartende Entfernung zum Objekt 11,
fD
Dopplerfrequenz,
fD,max
maximal zu erwartende Dopplerfrequenz,
c0
Lichtgeschwindigkeit im Vakuum,
Tunamb
Zeitdauer, über welche der Phasencode 110 eindeutig ist.
For a better understanding of the following explanations, the following formula symbols are also clearly introduced
a:
Length of the first single code A; a ∈ N,
b:
length of the second single code B; b ∈ N,
NPC:
Length of a single code in general, where SC stands for single code; N SC ∈ N,
TA:
Duration of the first individual code A,
TB:
Duration of the second individual code B,
Tx:
Duration of an individual code in general,
T'A:
Duration of the first individual code A in phase code 110,
T'B:
Duration of the second individual code B in phase code 110,
T'x:
Duration of a single code generally in phase code 110,
BC:
code bandwidth in general,
BCn:
code bandwidth of the nth code; n ∈ N,
NTC:
length of the phase code 120, where TC stands for total code; N TC ∈ N,
TTC:
Duration of phase code 110,
τ
Time of Flight / signal propagation time,
τmax
maximum possible time of flight / signal propagation time,
i.e
distance to object 11,
d max
maximum permissible or expected distance to the object 11,
fD
doppler frequency,
fD,max
maximum expected Doppler frequency,
c0
speed of light in vacuum,
Tunamb
Amount of time over which phase code 110 is unique.

3 zeigt schematisch den Aufbau des Phasencodes 110. Dieser ist durch Durchmischen von einem ersten Einzelcode A und einem zweiten Einzelcode B gebildet. Der erste Einzelcode A weist eine Länge a und der zweite Einzelcode B weist eine Länge b auf, wobei gilt: a ≠ b. Der erste Einzelcode A und der zweite Einzelcode B weisen dieselbe Bandbreite BC auf. 3 12 schematically shows the structure of the phase code 110. This is formed by mixing a first individual code A and a second individual code B. The first individual code A has a length a and the second individual code B has a length b, where the following applies: a≠b. The first individual code A and the second individual code B have the same bandwidth B C .

In dem in 3 gezeigten Beispiel weist der erste Einzelcode A eine Länge a = 6 auf, so dass sechs erste Codesymbole SA1...SA6 vorhanden sind. Der zweite Einzelcode B weist eine Länge von b = 8 auf, so dass acht zweite Codesymbole SB1...SB8 vorhanden sind. Die ersten Codesymbole SA1...SA6 und die zweiten Codesymbole SB1...SB8 werden abwechselnd aneinandergereiht, wobei der erste Einzelcode A und/oder der zweite Einzelcode B bis zu der gewünschten Länge NTC des Phasencodes 110 wiederholt werden. Auch wenn in 3 lediglich zwei Einzelcodes, d.h. der erste Einzelcode A und der zweite Einzelcode B zum Bilden des Phasencodes 110 verwendet werden, so lassen sich auch mehrere Einzelcodes durchmischen, um den Phasencode 110 zu bilden. Ebenso ist eine Alternative, dass die Bandbreiten BCn der Einzelcodes unterschiedlich sind.in the in 3 In the example shown, the first individual code A has a length a=6, so that six first code symbols S A1 ...S A6 are present. The second individual code B has a length of b=8, so that eight second code symbols S B1 . . . S B8 are present. The first code symbols S A1 . . . S A6 and the second code symbols S B1 . Even if in 3 only two individual codes, ie the first individual code A and the second individual code B, are used to form the phase code 110, then several individual codes can also be mixed together in order to form the phase code 110. Another alternative is that the bandwidths B Cn of the individual codes are different.

Allgemein ergibt sich die Dauer Tx eines Einzelcodes über die Länge NSC des Einzelcodes und die Bandbreite BC des Einzelcodes: T x = N S C B C

Figure DE102021111820A1_0002
In general, the duration T x of an individual code results from the length N SC of the individual code and the bandwidth B C of the individual code: T x = N S C B C
Figure DE102021111820A1_0002

In dem Beispiel gemäß 3 damit: T A = a B C   T B = b B C

Figure DE102021111820A1_0003
In the example according to 3 in order to: T A = a B C T B = b B C
Figure DE102021111820A1_0003

Allgemein ergibt sich außerdem die Wiederholdauer eines Einzelcodes im durch Durchmischung von n Einzelcodes erzeugten Phasencode 110 entsprechend: T ' x = N S C ( 1 B C 1 + 1 B C 2 + + 1 B C n )

Figure DE102021111820A1_0004
In general, the repetition time of an individual code in the phase code 110 generated by mixing n individual codes also results accordingly: T ' x = N S C ( 1 B C 1 + 1 B C 2 + ... + 1 B C n )
Figure DE102021111820A1_0004

In dem Beispiel gemäß 3 damit: T ' A = 2 a B C   T ' B = 2 b B C

Figure DE102021111820A1_0005
In the example according to 3 in order to: T ' A = 2 a B C T ' B = 2 b B C
Figure DE102021111820A1_0005

Die Art der Einzelcodes ist frei wählbar. Diese können biphasig oder polyphasig ausgeführt werden und müssen nicht gleichartig sein. Anwendbare Codes sind beispielsweise:

  • • Biphasencodes: „Maximum Length Sequences“ (MLS), Gold- oder Kasami-Sequenzen
  • • Polyphasencodes: Frank-, P1, P2-, P3-, P4- oder Chu-Zadoff-Codes.
The type of individual code can be freely selected. These can be biphasic or polyphasic and do not have to be of the same type. Examples of applicable codes are:
  • • Biphase codes: Maximum Length Sequences (MLS), Gold or Kasami sequences
  • • Polyphase codes: Frank, P1, P2, P3, P4 or Chu-Zadoff codes.

Es ist lediglich vorgesehen, dass die Einzelcodes unterschiedliche Längen a und b besitzen. Diese Längen a und b sind so gewählt, dass zum einen der Phasencode 110 eindeutig über den Zeitraum τ m a x = 2 d m a x c 0

Figure DE102021111820A1_0006
ist und zum anderen eine eindeutige Dopplerschätzung synthetisiert werden kann, was nachfolgend erläutert wird. Am einfachsten lässt sich dies erreichen, wenn für die Längen a und b Werte genutzt werden, die keine gemeinsamen Primfaktoren besitzen, was beispielsweise bei Primzahlen der Fall ist. Somit lassen sich zwar beliebige Werte für die Längen a und b der Einzelcodes A, B verwenden, solange diese Längen a und b unterschiedlich sind, besonders vorteilhaft ist jedoch die Verwendung solcher Längen a und b ohne gemeinsame Primfaktoren.It is only provided that the individual codes have different lengths a and b. These lengths a and b are selected in such a way that, on the one hand, the phase code 110 is unambiguous over the period of time τ m a x = 2 i.e m a x c 0
Figure DE102021111820A1_0006
and on the other hand a unique Doppler estimate can be synthesized, which will be explained below. The easiest way to achieve this is to use values for the lengths a and b that do not have common prime factors, which is the case with prime numbers, for example. Thus, although any values for the Län Use gen a and b of the individual codes A, B as long as these lengths a and b are different, but the use of such lengths a and b without common prime factors is particularly advantageous.

Die Eindeutigkeitsdauer Tunamb des Phasencodes 110 ergibt sich für einen durchmischten Code aus zwei Einzelcodes gleicher Bandbreite Be mit Einzelcode-Längen a und b zu: (lcm = least common multiple, d.h. kleinstes gemeinsames Vielfaches): T u n a m b = 2 l c m ( a , b ) B C 1

Figure DE102021111820A1_0007
The uniqueness period T unamb of the phase code 110 results for a mixed code from two individual codes of the same bandwidth Be with individual code lengths a and b as follows: (lcm = least common multiple, ie smallest common multiple): T and n a m b = 2 l c m ( a , b ) B C 1
Figure DE102021111820A1_0007

Die Gesamtdauer des Phasencodes 110 ergibt sich im Falle einer einheitlichen Bandbreite BC zu T T C = N T C B C

Figure DE102021111820A1_0008
und liegt für die beabsichtigte Anwendung typischerweise im Bereich zwischen 3 µs bis 20 µs. Vorzugsweise wird eine einheitliche Code-Bandbreite verwendet, welche gleich der Abtastfrequenz des Analog-Digital-Umsetzers 8b ist. Somit erhält man pro Sample des Analog-Digital-Umsetzers 8b ein Symbol SA1...SA6, SB1-SB8 des Phasencodes 110, was zu einer einfacheren Signalverarbeitung führt. Hintergrund hierfür ist, dass das empfangenen Lichtsignal 120 später in der Signalverarbeitung entsprechend der Code-Bandbreite BC unterabgetastet wird, um die Einzelcodes trennen zu können. Existieren mehrere Samples pro Symbol SA1...SA6, SB1...SB8 des Phasencodes 110, muss diese Unterabtastung mehrfach mit Versatz geschehen, um alle Abtastwerte nutzen zu können. Diese mehrfache Prozessierung erhöht die Komplexität und kann durch BC = fs vermieden werden.In the case of a uniform bandwidth B C , the total duration of the phase code 110 results in T T C = N T C B C
Figure DE102021111820A1_0008
and typically ranges from 3 µs to 20 µs for the intended application. A uniform code bandwidth is preferably used, which is equal to the sampling frequency of the analog/digital converter 8b. One symbol S A1 . The background to this is that the received light signal 120 is subsampled later in the signal processing according to the code bandwidth B C in order to be able to separate the individual codes. If there are several samples per symbol S A1 . . . S A6 , S B1 . This multiple processing increases the complexity and can be avoided by BC = f s .

Um eine Dopplerschätzung durchzuführen werden jeweils die Daten-Samples entlang der Code Wiederholzeiten T'x verwendet, da so gewährleistet ist, dass der zeitverschobene Code ϕ im empfangenen Lichtsignal 120 immer das gleiche Symbol SA1...SA6, SB1...SB8 und damit die gleiche Phasenlage besitzt. Dies bedeutet, dass eine Abtastung des empfangenen Lichtsignals 120 mit T'x erfolgt. In order to carry out a Doppler estimation, the data samples along the code repetition times T' x are used in each case, since this ensures that the time-shifted code φ in the received light signal 120 always has the same symbol S A1 . . . S A6 , S B1 . S B8 and thus has the same phase position. This means that the received light signal 120 is sampled with T′ x .

Effektiv sieht man daher keinen Code mehr, sondern nur noch die Dopplerfrequenz fD.Effectively, therefore, one no longer sees a code, but only the Doppler frequency f D .

Da bei kohärenten Lidar Systemen für Automobilanwendungen Doppler Verschiebungen fD im Bereich +/- 100 MHz auftreten können, werden die einzelnen, über die Code Wiederholdauern erhaltenen Dopplerschätzungen im Allgemeinen uneindeutig sein, da es zu Aliasing kommt, weil das Nyquist Abtast-Theorem nicht eingehalten wird: ƒ D m a x > 2 T ' x

Figure DE102021111820A1_0009
Since Doppler shifts f D in the range of +/- 100 MHz can occur in coherent lidar systems for automotive applications, the individual Doppler estimates obtained over the code repetition times will generally be ambiguous, since aliasing occurs because the Nyquist sampling theorem is not observed becomes: ƒ D m a x > 2 T ' x
Figure DE102021111820A1_0009

In dem in 3 gezeigten Beispiel, in dem ein erster Einzelcode A und ein zweiter Einzelcode B durchmischt sind, werden auf diese Weise zwei Frequenzen geschätzt, eine erste Schätzfrequenz fMeas1 und eine zweite Schätzfrequenz fMeas2. Die erste Schätzfrequenz fMeas1 und die zweite Schätzfrequenz fMeas2 hängen folgendermaßen mit der wahren Dopplerfrequenz fD zusammen. ƒ D = n 1 T ' A ± ƒ M e a s 1

Figure DE102021111820A1_0010
ƒ D = m 1 T ' B ± ƒ M e a s 2
Figure DE102021111820A1_0011
n , m 0 Λ  n T B ' 1 ƒ D , m a x
Figure DE102021111820A1_0012
in the in 3 In the example shown, in which a first individual code A and a second individual code B are mixed, two frequencies are estimated in this way, a first estimated frequency f Meas1 and a second estimated frequency f Meas2 . The first estimated frequency f Meas1 and the second estimated frequency f Meas2 are related to the true Doppler frequency f D as follows. ƒ D = n 1 T ' A ± ƒ M e a s 1
Figure DE102021111820A1_0010
ƒ D = m 1 T ' B ± ƒ M e a s 2
Figure DE102021111820A1_0011
n , m 0 Λ n T B ' 1 ƒ D , m a x
Figure DE102021111820A1_0012

Werden die Informationen aus den beiden Einzelschätzungen kombiniert, so lässt sich aus Eindeutigkeitsbereichen 100, 200 der Einzelmessungen ein vergrößerter Eindeutigkeitsbereich 300 erreichen, insbesondere in Abhängigkeit von den individuellen Abtastintervallen. 4 stellt den Sachverhalt im Frequenzraum exemplarisch dar. In diesem Beispiel kann die tatsächliche Dopplerfrequenz fD eindeutig aus fMeas1 und fMeas2 anhand der zuvor beschriebenen Gleichungen berechnet werden. Hierzu werden mittels der Laufvariablen n, m alle möglichen Alias-Frequenzen berechnet und verglichen. Dort wo der Betrag der Differenz minimal ist, ist mit höchster Wahrscheinlichkeit die wahre Dopplerfrequenz fD. Somit ist die Dopplerfrequenz fD geschätzt.If the information from the two individual estimates is combined, an increased uniqueness range 300 can be achieved from uniqueness ranges 100, 200 of the individual measurements, in particular as a function of the individual sampling intervals. 4 shows the facts in the frequency domain as an example. In this example, the actual Doppler frequency f D can be calculated unambiguously from f Meas1 and f Meas2 using the equations described above. For this purpose, all possible alias frequencies are calculated and compared using the run variables n, m. Where the absolute value of the difference is minimal, the true Doppler frequency is f D with the greatest probability. Thus the Doppler frequency f D is estimated.

Dieses Vorgehen führt im Allgemeinen immer zu einer eindeutigen DopplerSchätzung, solang die Dopplerfrequenz fD im kombinierten Eindeutigkeitsbereich 300 befindet und nur ein dominantes Ziel vorliegt. Allgemein ergibt sich für die kombinierte Abtastfrequenz fsyn: ƒ s y n = l c m ( T x 1 ' 1 , T x 2 ' 1 )

Figure DE102021111820A1_0013
This procedure generally always leads to an unambiguous Doppler estimate as long as the Doppler frequency f D is in the combined unambiguous range 300 and there is only one dominant target. In general, the combined sampling frequency f syn : ƒ s y n = l c m ( T x 1 ' 1 , T x 2 ' 1 )
Figure DE102021111820A1_0013

Der kombinierte Eindeutigkeitsbereich entspricht somit fsyn/2 (die verwendete Abkürzung lcm bedeutet wiederum least common multiple, d.h. kleinstes gemeinsames Vielfaches). Bezogen auf das Beispiel aus 3 wird fsyn: ƒ s y n = l c m ( B c 2 a , B c 2 b ) = B c 2 l c m ( 1 a , 1 b ) = B c 2 g c d ( a , b )

Figure DE102021111820A1_0014
The combined uniqueness range thus corresponds to f syn /2 (the abbreviation lcm used again means least common multiple, ie smallest common multiple). Based on the example 3 becomes f syn : ƒ s y n = l c m ( B c 2 a , B c 2 b ) = B c 2 l c m ( 1 a , 1 b ) = B c 2 G c i.e ( a , b )
Figure DE102021111820A1_0014

Die verwendete Abkürzung gcd steht für greatest common divisor, d.h. größter gemeinsamer Teiler. Es ist zu erkennen, dass die kombinierte Abtastfrequenz hier maximal BC/2 werden kann. Hierfür muss der größte gemeinsame Teiler der Codelängen a und b gleich 1 sein, was für Zahlen der Fall ist, welche keine gemeinsamen Primfaktoren besitzen.The abbreviation gcd used stands for greatest common divisor. It can be seen that the combined Sampling frequency here can be a maximum of B C /2. For this, the greatest common divisor of the code lengths a and b must be 1, which is the case for numbers that have no common prime factors.

In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Einzelcodes A, B verwendet, um den Phasencode 110 zu bilden. Alternativ können auch mehr als zwei Einzelcodes verwendet werden. Dadurch lässt sich die Robustheit und die Präzision der Dopplerschätzung erhöhen. Gleichzeitig sinkt der Eindeutigkeitsbereich, so dass für n Einzelcodes mit derselben Bandbreite BC sowie mit Längen ohne gemeinsame Primfaktoren gilt: ƒ s y n , m a x = B C n

Figure DE102021111820A1_0015
in the in 4 In the exemplary embodiment shown, two individual codes A, B are used to form the phase code 110 . Alternatively, more than two individual codes can also be used. This increases the robustness and precision of the Doppler estimation. At the same time, the uniqueness range decreases, so that for n individual codes with the same bandwidth B C and with lengths without common prime factors, the following applies: ƒ s y n , m a x = B C n
Figure DE102021111820A1_0015

5 zeigt schematisch einen Ablaufplan der Signalverarbeitung zur Dopplerschätzung. Es wird in den folgenden Erklärungen wiederum von Einzelcodes gleicher Bandbreite BC ausgegangen. 5 shows a flow chart of the signal processing for Doppler estimation. In the following explanations, individual codes of the same bandwidth B C are again assumed.

In einem ersten Schritt S1 erfolgt das Auftrennen des empfangenen Lichtsignals 120 in die verwendeten Einzelcodes. Dies erfolgt wie zuvor beschrieben durch Abtasten des empfangenen Lichtsignals 120 mit Bc (bzw. BC/2). Aufgrund der unbekannten Time of Flight bzw. Signallaufzeit τ erfolgt die Trennung der Einzelcodes in dem ersten Schritt S1 nicht deterministisch. Dies bedeutet, dass das empfangene Lichtsignal 120 zwar getrennt werden kann und bekannt ist, dass in den Einzelteilen des aufgeteilten Lichtsignal 120 jeweils ein Einzelcode enthalten ist, allerdings ist nicht bekannt welcher Code. Je nach Anzahl n der durchmischten Einzelcodes erhält man daher n Hypothesen. Die nachfolgenden Schritte S2 bis S5 werden für jede Hypothese durchgeführt, wobei die richtige Hypothese die besten Ergebnisse liefern wird und somit am Ende identifiziert werden kann.In a first step S1, the received light signal 120 is separated into the individual codes used. As previously described, this is done by sampling the received light signal 120 with Bc (or B C /2). Due to the unknown time of flight or signal propagation time τ, the separation of the individual codes in the first step S1 does not take place deterministically. This means that the received light signal 120 can be separated and it is known that the individual parts of the divided light signal 120 each contain an individual code, but which code is not known. Depending on the number n of mixed individual codes, n hypotheses are obtained. The subsequent steps S2 to S5 are carried out for each hypothesis, whereby the correct hypothesis will give the best results and can thus be identified in the end.

In einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Umordnen der Abtastwerte zu Matrix-Strukturen entsprechend der individuellen Wiederholdauern Tx der Einzelcodes. Somit wird für die Wiederholungen des ersten Einzelcodes A eine erste Codematrix 400 und für die Wiederholungen des zweiten Einzelcodes B eine zweite Codematrix 500 gebildet. Danach erfolgt in einem dritten Schritt S3 eine FFT-Berechnung über die Code-Wiederholungen, d.h. entlang der Spalten der jeweiligen Codematrix 400, 500.In a second step S2, the sampled values are rearranged into matrix structures according to the individual repetition times T x of the individual codes. A first code matrix 400 is thus formed for the repetitions of the first individual code A and a second code matrix 500 for the repetitions of the second individual code B. Then, in a third step S3, an FFT calculation is performed over the code repetitions, ie along the columns of the respective code matrix 400, 500.

Die im dritten Schritt S3 erhaltenen Spektren werden in einem vierten Schritt S4 summiert. Die Summation der Spektren im vierten Schritt S4 erfolgt am einfachsten nicht-kohärent, d.h. es werden die Beträge der Spektren aufaddiert. Bessere Performance kann allerdings mit kohärenter Addition ohne Betragsbildung erreicht werden, welche jedoch eine Phasenkorrektur voraussetzt, sodass die zu messende Frequenz stets konstruktiv aufaddiert wird. Hierbei müssen unter anderem die Phasenwechsel des Codes korrigiert werden, was mit erhöhtem Rechenaufwand einhergeht.The spectra obtained in the third step S3 are summed in a fourth step S4. The summation of the spectra in the fourth step S4 is most simply non-coherent, i.e. the amounts of the spectra are added up. However, better performance can be achieved with coherent addition without absolute value formation, which, however, requires a phase correction so that the frequency to be measured is always added constructively. Here, among other things, the phase change of the code must be corrected, which is associated with increased computing effort.

In einem fünften Schritt S5 erfolgt schließlich eine Peak-Suche in den resultierenden Spektren, wodurch die erste Schätzfrequenz fMeas1 und die zweite Schätzfrequenz fMeas2 ermittelt werden. Daraus lässt sich die Dopplerfrequenz fD berechnen, wie zuvor erläutert.Finally, in a fifth step S5, a peak search is carried out in the resulting spectra, as a result of which the first estimated frequency f Meas1 and the second estimated frequency f Meas2 are determined. From this, the Doppler frequency f D can be calculated, as explained above.

Nachdem die Dopplerfrequenz fD abgeschätzt wurde, kann im nächsten Schritt nun die Entfernung d mittels Korrelation zwischen korrigiertem Code Template cT und dem empfangenen Lichtsignal 120, nachfolgend dargestellt durch das Zeichen cRX, erfolgen. Sollte die Dopplerschätzung aus vorherigem Schritt uneindeutig sein, was in Sonderfällen, insbesondere für den Fall, dass nur zwei Codes durchmischt werden, auftreten kann, so können die möglichen Ergebnisse mit Hilfe der Korrelation plausibilisiert werden, da nur die wahre Dopplerfrequenz fD zu einem Korrelationserfolg führen wird.After the Doppler frequency f D has been estimated, in the next step the distance d can now be determined by means of correlation between the corrected code template c T and the received light signal 120, represented below by the symbol c RX . If the Doppler estimation from the previous step is ambiguous, which can occur in special cases, especially when only two codes are mixed, the possible results can be checked for plausibility with the help of the correlation, since only the true Doppler frequency f D leads to a successful correlation will lead.

Es werden vorzugsweise zwei Code Templates cT mit dem empfangenen Lichtsignal 120 cRX korreliert, da dies zu maximaler Detektion-Performance führt. Ebenso ist auch die Korrelation mit nur einem Code Template cT möglich. Bei Verwendung von zwei Code Templates cT ist das erste Code Template bevorzugt: c T C ( k ) = c o s ( ω ˜ D k T S ϕ ( k T S ) )

Figure DE102021111820A1_0016
Two code templates c T are preferably correlated with the received light signal 120 c RX since this leads to maximum detection performance. Correlation with only one code template c T is also possible. When using two code templates c T , the first code template is preferred: c T C ( k ) = c O s ( ω ˜ D k T S ϕ ( k T S ) )
Figure DE102021111820A1_0016

Da der Phasenterm ω0τ jedoch unbekannt ist, wird zudem eine Kreuzkorrelation mit der Sinusversion durchgeführt: c T C ( k ) = c o s ( ω ˜ D k T S ϕ ( k T S ) )

Figure DE102021111820A1_0017
ω̃D beschreibt dabei jeweils die zuvor geschätzte Dopplerfrequenz fD. Die Korrelation kann nun gleichermaßen für beide Templates mathematisch wie folgt beschrieben werden, wobei cT jeweils für die Kosinus- oder die Sinus-Version des Templates steht: R S C ( u ) = k = 0 N C S c R X ( k ) c r ( k u )
Figure DE102021111820A1_0018
NCS ist hierbei die Länge des Phasencodes 110 und ergibt sich über: NCS = TCSƒS, wobei TCS die Gesamtdauer des Phasencodes 110 ist. Die beiden Korrelationsfunktionen für die verschiedenen Template-Funktionen können dann folgendermaßen zusammengefasst werden: R S C g e s ( u ) = R S C s i n 2 ( u ) + R S C c o s 2 ( u )
Figure DE102021111820A1_0019
However, since the phase term ω 0 τ is unknown, a cross-correlation is also performed with the sine version: c T C ( k ) = c O s ( ω ˜ D k T S ϕ ( k T S ) )
Figure DE102021111820A1_0017
ω̃ D describes the previously estimated Doppler frequency f D . The correlation can now be described mathematically for both templates as follows, where c T stands for the cosine or the sine version of the template: R S C ( and ) = k = 0 N C S c R X ( k ) c right ( k and )
Figure DE102021111820A1_0018
Here, N CS is the length of the phase code 110 and results from: N CS =T CSƒS , where T CS is the total duration of the phase code 110 . The two correlation functions for the different template functions can then be summarized as follows: R S C G e s ( and ) = R S C s i n 2 ( and ) + R S C c O s 2 ( and )
Figure DE102021111820A1_0019

Anhand der Korrelation lässt sich die Signallaufzeit bzw. Time of Flight τ ermitteln, die wiederum ein Maß für die Entfernung dist.The signal propagation time or time of flight τ can be determined using the correlation, which in turn is a measure for the distance dist.

6 zeigt schematisch eine zweite Variante des LiDAR-Sensor-Systems 1 des Fahrzeugs 9 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist die Sendeeinheit 3 analog zu der ersten Variante wie zuvor beschrieben. Ein Unterschied besteht in der Empfangseinheit 4, die in der in 3 dargestellten zweiten Variante einen komplexen Demodulator 18, 19 aufweist. Außerdem ist eine vorzeichenrichtige Schätzung der Geschwindigkeit v des Objekts 11 ermöglicht. Hierzu ist eine erste Auswerteeinheit 18 für die I-Pfad und eine zweite Auswerteeinheit 19 für den Q-Pfad vorgesehen. Die erste Auswerteeinheit 18 und die zweite Auswerteeinheit 19 weisen dabei jeweils einen eigenen Photodetektor 8a sowie eine eigene Auswertelogik mit Analog-Digital-Umsetzer 8b und digitalem Signalprozessor 8c auf. 6 shows schematically a second variant of the LiDAR sensor system 1 of the vehicle 9 according to the exemplary embodiment of the invention. The transmission unit 3 is analogous to the first variant as previously described. There is a difference in the receiving unit 4, which is in 3 second variant shown has a complex demodulator 18, 19. In addition, an estimation of the speed v of the object 11 with the correct sign is made possible. For this purpose, a first evaluation unit 18 is provided for the I path and a second evaluation unit 19 for the Q path. The first evaluation unit 18 and the second evaluation unit 19 each have their own photodetector 8a and their own evaluation logic with an analog/digital converter 8b and a digital signal processor 8c.

Außerdem weist die Empfangseinheit 4 einen ersten Zusatzsplitter 15 auf, der das Referenzsignal von dem Splitter 12 der Sendeeinheit 3 nochmals aufgesplittet, um dieses dem jeweiligen Koppler 13a, 13b der entsprechenden Pfade des komplexen Demodulators 18, 19 zu übertragen. Dabei ist vorgesehen, dass für den Q-Pfad ein Phasenversatz von 90° eingebracht wird. Ebenso ist ein zweiter Zusatzsplitter 14 vorhanden, der das von der Empfangsoptik 6 empfangene Licht auf die beiden Pfade des komplexen Demodulators 18, 19 aufteilt.In addition, the receiving unit 4 has a first additional splitter 15, which splits the reference signal from the splitter 12 of the transmitting unit 3 again in order to transmit it to the respective coupler 13a, 13b of the corresponding paths of the complex demodulator 18, 19. It is provided that a phase offset of 90° is introduced for the Q path. A second additional splitter 14 is also present, which splits the light received from the receiving optics 6 into the two paths of the complex demodulator 18, 19.

Zuvor wurde beschrieben, wie die Dopplerschätzung basierend auf den Wiederholungen der Einzelcodes A, B erfolgt. Ebenso lässt sich die Dopplerschätzung basierend auf der Wiederholung des gesamten Phasencodes durchführen. Diese Möglichkeit bietet eine Verbesserung der Präzision und Robustheit der zuvor genannten Dopplerschätzung basierend auf den Wiederholungen der Einzelcodes A, B. Das zugrundeliegende Prinzip ist in 7 gezeigt. Grundsätzlich werden dieselben Schritte wie in 5 gezeigt und oben beschrieben angewandt, es erfolgt aber kein Aufteilen des empfangenen Lichtsignals 120 in die Einzelcodes A, B. Vielmehr werden die einzelnen Phasencodes 110 betrachtet und weiterverarbeitet. Hierbei wird die Dauer des sich wiederholenden Phasencodes 110 vorzugsweise gleich der maximal zu erwartenden Lichtlaufzeit bzw. Time of Flight τmax gesetzt. Das zugehörige Abtastintervall, das zum Trennen der Phasencodes 120 im empfangenen Lichtsignal 110 verwendet wird, ergibt sich dann in Abhängigkeit von der maximalen Lichtlaufzeit bzw. Time of Flight τmax zu: ƒ s , T C = 1 τ m a x

Figure DE102021111820A1_0020
It was previously described how the Doppler estimation is based on the repetitions of the individual codes A, B. Likewise, the Doppler estimation can be performed based on the repetition of the entire phase code. This possibility offers an improvement in the precision and robustness of the aforementioned Doppler estimation based on the repetitions of the individual codes A, B. The underlying principle is in 7 shown. Basically the same steps as in 5 shown and applied as described above, but the received light signal 120 is not divided into the individual codes A, B. Rather, the individual phase codes 110 are considered and further processed. In this case, the duration of the repetitive phase code 110 is preferably set equal to the maximum light propagation time or time of flight τ max to be expected. The associated sampling interval, which is used to separate the phase codes 120 in the received light signal 110, is then obtained as a function of the maximum light propagation time or time of flight τ max : ƒ s , T C = 1 τ m a x
Figure DE102021111820A1_0020

8 zeigt schließlich eine alternative Form der Signalverarbeitung. Alternativ zu dem dritten Schritt S3 und dem vierten Schritt S4 wie zuvor beschrieben und in 5 gezeigt können auch eindimensionale Signalvektoren aus den Codematrizen des zuvor beschriebenen zweiten Schritts S2 erzeugt werden. Hierzu werden die Spalten der Codematrizen aneinandergereiht, wie in 8 beispielhaft für die erste Codematrix 400 dargestellt, aus der ein eindimensionaler Signalvektor 401 gebildet wird. In dem so entstehenden Signalvektor 401 verbleibt ein Code mit der Bandbreite BWres = T-1TC, der auch Residual Code genannt wird. Die FFT-Berechnung von diesem Signalvektor liefert ein Spektrum mit einer deutlich erhöhten Anzahl von Stützstellen im Vergleich zum zuvor vorgestellten Vorgehen. Dabei ist die Bandbreite des Residual Codes so gering, dass dennoch eine zuverlässige Frequenzschätzung möglich ist. Vorteilhaft ist, dass das detaillierte Spektrum die Anwendung von Filtern, Mittelungs- oder Pattern-Matching-Verfahren ermöglicht, welche die Detektionswahrscheinlichkeit und Detektionsgenauigkeit erhöhen können. Nachdem die eineindeutigen Frequenzen aus den Frequenzspektren geschätzt worden sind, erfolgt das Schätzen der Dopplerfrequenz ƒD wiederum durch den fünften Schritt S5 wie zuvor beschrieben. 8th finally shows an alternative form of signal processing. As an alternative to the third step S3 and the fourth step S4 as described above and in 5 shown, one-dimensional signal vectors can also be generated from the code matrices of the second step S2 described above. To do this, the columns of the code matrices are lined up, as in 8th shown as an example for the first code matrix 400 from which a one-dimensional signal vector 401 is formed. A code with the bandwidth BW res =T −1 TC, which is also called residual code, remains in the signal vector 401 that is produced in this way. The FFT calculation of this signal vector delivers a spectrum with a significantly increased number of support points compared to the procedure presented before. The bandwidth of the residual code is so small that a reliable frequency estimate is still possible. It is advantageous that the detailed spectrum enables the use of filters, averaging or pattern matching methods, which can increase the detection probability and detection accuracy. After the one-to-one frequencies have been estimated from the frequency spectra, the Doppler frequency ƒ D is again estimated by the fifth step S5 as previously described.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • WO 2018/144853 A1 [0002]WO 2018/144853 A1 [0002]

Claims (10)

LiDAR-Sensor-System (1) aufweisend • eine Sendeeinheit (3) mit einer Laserquelle (2), einem Phasenmodulator (7) zum Modulieren einer Phase des Lichts der Laserquelle (2) mit einem Phasencode (110) und einer Sendeoptik (5) zum Aussenden des von dem Phasenmodulator (7) modulierten Lichts in eine Umgebung (10) des LiDAR-Sensor-Systems (1), • eine Empfangseinheit (4) mit einer Empfangsoptik (6) zum Empfangen von an einem Objekt (11) der Umgebung (10) reflektierten Licht und mit einer Auswerteeinheit (8) zum Auswerten des von der Empfangsoptik (6) empfangen Lichts, • wobei der Phasencode (110) zumindest eine Wiederholung einer Vielzahl von verschachtelten Einzelcodes (A, B) beinhaltet, • wobei die Einzelcodes (A, B) unterschiedliche Codelängen (a, b) aufweisen, und • wobei die Auswerteeinheit (8) ausgebildet ist, ◯ ein empfangenes Lichtsignal (120) in die Einzelcodes (A, B) des Phasencodes (110) aufzuteilen, ◯ anhand von zumindest einem wiederholten Einzelcode (A, B), insbesondere anhand von jedem wiederholten Einzelcode (A, B), eine Dopplerfrequenz (fD) zu ermitteln, und ◯ anhand einer Korrelation des empfangenen Lichtsignals (120) mit dem durch die Dopplerfrequenz (fD) korrigierten Phasencode (110) eine Entfernung (d) zu dem Objekt (11) zu bestimmen.LiDAR sensor system (1) having • a transmission unit (3) with a laser source (2), a phase modulator (7) for modulating a phase of the light from the laser source (2) with a phase code (110) and transmission optics (5) for emitting the light modulated by the phase modulator (7) into an environment (10) of the LiDAR sensor system (1), • a receiving unit (4) with receiving optics (6) for receiving at an object (11) in the environment (10) reflected light and with an evaluation unit (8) for evaluating the light received by the receiving optics (6), • wherein the phase code (110) contains at least one repetition of a large number of nested individual codes (A, B), • wherein the individual codes (A, B) have different code lengths (a, b), and • wherein the evaluation unit (8) is designed, ◯ divide a received light signal (120) into the individual codes (A, B) of the phase code (110), ◯ based on at least one repeated individual code (A, B), in particular based on vo n to determine a Doppler frequency (f D ) for each repeated individual code (A, B), and ◯ a distance (d) to a correlation of the received light signal (120) with the phase code (110) corrected by the Doppler frequency (f D ). to determine the object (11). LiDAR-Sensor-System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelcodes (A, B) jeweils mehrere Codesymbole (SA1... SA6, SB1...SB8) aufweisen, wobei die Codelänge (a, b) der Anzahl an Codesymbolen entspricht, und wobei der Phasencode (110) durch aneinanderreihen der Codesymbole (SA1...SA6, SB1...SB8) abwechselnd von den jeweiligen Einzelcodes (A, B) gebildet ist.LiDAR sensor system (1) according to claim 1 , characterized in that the individual codes (A, B) each have a plurality of code symbols (S A1 ... S A6 , S B1 ... S B8 ), wherein the code length (a, b) corresponds to the number of code symbols, and wherein the phase code (110) is formed by alternating the code symbols (S A1 ...S A6 , S B1 ...S B8 ) from the respective individual codes (A, B) in a row. LiDAR-Sensor-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) ausgebildet ist, für zumindest ein Codesymbol (SA1...SA6, SB1...SB8) pro Einzelcode (A, B) ein Spektrum aus denselben wiederholten Codesymbolen (SA1...SA6, SB1...SB8) des empfangenen Lichtsignals (120) zu ermitteln, wobei sich jedes Codesymbol (SA1...SA6, SB1...SB8) im empfangenen Lichtsignal (120) nach einer jeweiligen Widerholdauer (T'A, T'B) des zugehörigen Einzelcodes (A, B) im Phasencode (110) wiederholt, und wobei die Auswerteeinheit (8) ausgebildet ist, anhand der Spektren die Dopplerfrequenz (fD) zu schätzen.LiDAR sensor system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit (8) is designed for at least one code symbol (S A1 ...S A6 , S B1 ...S B8 ) per individual code ( A, B) to determine a spectrum from the same repeated code symbols (S A1 ...S A6 , S B1 ...S B8 ) of the received light signal (120), with each code symbol (S A1 ...S A6 , S B1 ... S B8 ) in the received light signal (120) after a respective repetition period (T' A , T' B ) of the associated individual code (A, B) in the phase code (110), and wherein the evaluation unit (8) is formed , to estimate the Doppler frequency (f D ) from the spectra. LiDAR-Sensor-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelcodes (A, B) dieselbe Bandbreite aufweisen.LiDAR sensor system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the individual codes (A, B) have the same bandwidth. LiDAR-Sensor-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Einzelcode (A, B) durch einen Biphasencode, insbesondere durch eine Maximum Length Sequences oder durch eine Gold-Sequenz oder durch eine Kasami-Sequenz, oder durch einen Polyphasencode, insbesondere einen Frank-Code oder durch einen P1-Code oder durch einen P2-Code oder durch einen P3-Code oder durch einen P4-Code oder durch einen Chu-Zadoff-Code gebildet sind.LiDAR sensor system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that each individual code (A, B) by a biphase code, in particular by a maximum length sequence or by a Gold sequence or by a Kasami sequence, or by a polyphase code, in particular a Frank code or by a P1 code or by a P2 code or by a P3 code or by a P4 code or by a Chu-Zadoff code. LiDAR-Sensor-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Codelängen (a, b) ganzzahlig sind und keine gemeinsamen Primfaktoren aufweisen und/oder Primzahlen sind.LiDAR sensor system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the code lengths (a, b) are integers and have no common prime factors and/or are prime numbers. LiDAR-Sensor-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtdauer (TTC) des Phasencodes (110) zwischen 3 µs bis 20 µs beträgt.LiDAR sensor system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a total duration (T TC ) of the phase code (110) is between 3 µs and 20 µs. LiDAR-Sensor-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) einen Photodetektor (8A) sowie eine Auswertelogik, insbesondere einen Analog-Digital-Umsetzer (8B) und einen digitalen Signalprozessor (8C), aufweist.LiDAR sensor system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit (8) has a photodetector (8A) and evaluation logic, in particular an analog/digital converter (8B) and a digital signal processor (8C), having. LiDAR-Sensor-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) ein einfacher Demodulator ist oder einen komplexen Demodulator (18, 19) aufweist.LiDAR sensor system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit (8) is a simple demodulator or has a complex demodulator (18, 19). Fahrzeug (9) aufweisend ein LiDAR-Sensor-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Vehicle (9) having a LiDAR sensor system (1) according to one of the preceding claims.
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