DE102021111820A1 - LiDAR sensor system - Google Patents
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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
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.
-
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
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
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
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
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
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
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:
- 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.
- 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.
- 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.
In dem in
Allgemein ergibt sich die Dauer Tx eines Einzelcodes über die Länge NSC des Einzelcodes und die Bandbreite BC des Einzelcodes:
In dem Beispiel gemäß
Allgemein ergibt sich außerdem die Wiederholdauer eines Einzelcodes im durch Durchmischung von n Einzelcodes erzeugten Phasencode 110 entsprechend:
In dem Beispiel gemäß
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.
- • 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
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):
Die Gesamtdauer des Phasencodes 110 ergibt sich im Falle einer einheitlichen Bandbreite BC zu
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
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:
In dem in
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.
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:
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
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
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
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
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
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:
Da der Phasenterm ω0τ jedoch unbekannt ist, wird zudem eine Kreuzkorrelation mit der Sinusversion durchgeführt:
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.
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
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
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