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Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten von einem Abtastbereich, aufweisend eine Sendeeinheit mit mindestens einer Strahlenquelle zum Erzeugen und Emittieren von Strahlen in den Abtastbereich, und aufweisend eine Empfangseinheit mit mindestens einem Detektor zum Empfangen von aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Steuergerät und ein Verfahren.
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Stand der Technik
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Im Bereich von automatisiert oder teilautomatisiert betriebenen Fahrzeugen werden üblicherweise mehrere LIDAR-Sensoren eingesetzt, die unterschiedliche Erfassungsbereiche des Fahrzeugumfelds abtasten. Derartige LIDAR-Sensoren können als sogenannte Scanner oder als Flash-LIDAR ausgestaltet sein. Die durch die LIDAR-Sensoren abgetasteten Erfassungsbereiche überlagern sich bereichsweise, wodurch die jeweiligen LIDAR-Sensoren durch Interferenzen sich gegenseitig beeinträchtigen können.
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Es sind bereits Verfahren bekannt, die derartige Interferenzen zwischen unterschiedlichen LIDAR-Sensoren verhindern. Beispielsweise können Frequenzverschiebungen oder Pulsmodulationen zum Vermeiden von nachteiligen Wechselwirkungen zwischen zwei LIDAR-Sensoren verwendet werden. Derartige Verfahren zum Vermeiden von Interferenzen sind jedoch nur bedingt für die kryptografische Verschlüsselung von LIDAR-Sensoren geeignet. Darüber hinaus können bei einem parallelen Dauerbetrieb von derartigen LIDAR-Sensoren weiterhin gegenseitige Beeinträchtigungen auftreten.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine LIDAR-Vorrichtung vorzuschlagen, die auch im Dauerbetrieb mit anderen LIDAR-Vorrichtungen vor unerwünschten Interferenzen benachbarter LIDAR-Vorrichtungen geschützt ist.
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Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Anweisen eines Fahrers eines in einen Übergabebereich einfahrenden Fahrzeugs durch ein Steuergerät bereitgestellt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung bzw. ein LIDAR-Sensor zum Abtasten von einem Abtastbereich bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist eine Sendeeinheit mit mindestens einer Strahlenquelle zum Erzeugen und Emittieren von Strahlen in den Abtastbereich, und eine Empfangseinheit mit mindestens einem Detektor zum Empfangen von aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen auf. Die Sendeeinheit weist einen einstellbaren Sendepolarisator zum Beaufschlagen von erzeugten Strahlen mit einer Polarisierung und die Empfangseinheit einen einstellbaren, dem Detektor vorgeschalteten, Empfangspolarisator in Form eines Polarisationsfilters auf. Bevorzugterweise weist die LIDAR-Vorrichtung zum Einstellen einer Polarisationsrichtung des Sendepolarisators und einer Polarisationsrichtung des Empfangspolarisators einen Quantengenerator, insbesondere einen Quantenzufallsgenerator, auf.
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Der Quantengenerator kann zum zeitgleichen Ansteuern des Sendepolarisators und des Empfangspolarisators durch Verschränkung eingesetzt werden.
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Durch das physikalische Prinzip der Quantenverschränkung bzw. von verschränkten Zuständen können zeitgleiche Steuersignale durch den Quantengenerator erzeugt und zum Ansteuern des Sendepolarisators und des Empfangspolarisators eingesetzt werden. Da diese Ansteuerung per Zufall erfolgt, können Wechselwirkungen oder negative Beeinträchtigungen der LIDAR-Vorrichtung durch Störlicht oder Fremdlicht vermieden werden.
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Der Empfangspolarisator fungiert als ein Polarisationsfilter, der nur derartige Strahlen aus dem Abtastbereich zum Detektor transmittiert, die durch den Sendepolarisator im Vorfeld polarisiert wurden.
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Durch die zeitgliche Einstellung des Sendepolarisators und des Empfangspolarisators werden selbst minimale zeitliche Verzögerungen bei der Ansteuerung vermieden, sodass auch minimale Distanzen im Nahfeld der LIDAR-Vorrichtung zuverlässig ermittelt werden können.
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Aufgrund der Ansteuerung des Sendepolarisators und des Empfangspolarisators durch den als einen Quantenzufallsgenerator ausgestalteten Quantengenerator kann die LIDAR-Vorrichtung mit einer kryptografischen Verschlüsselung versehen werden, die auf einem echten Zufallsprinzip basiert. Somit können Interferenzen zu benachbarten LIDAR-Vorrichtungen auch während eines Dauerbetriebs zuverlässig unterbunden werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Steuergerät bereitgestellt, welches mit mindestens einer Strahlenquelle und mit mindestens einem Detektor einer erfindungsgemäßen LIDAR-Vorrichtung datenleitend verbunden ist. Hierdurch kann das Steuergerät die mindestens eine Strahlenquelle ansteuern, um einen Abtastbereich mit Strahlen abzutasten und aus dem Abtastbereich rückgestreute und/oder reflektierte Strahlen auswerten, um mindestens eine Entfernung zwischen der LIDAR-Vorrichtung und mindestens einem Objekt in einem Abtastbereich zu ermitteln.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum gleichzeitigen Erzeugen von zwei Steuersignalen bereitgestellt. In einem Schritt wird ein Primärphoton durch eine Anregungsquelle erzeugt und auf einen nicht-linearen Kristall geleitet, wobei das Primärphoton durch spontane parametrische Fluoreszenz in zwei Sekundärphotonen aufgeteilt wird. Die Sekundärphotonen werden durch jeweils einen Polarisator mit jeweils einer Polarisationsrichtung beaufschlagt und auf jeweils einen Photonendetektor geleitet. Durch jeden Photonendetektor wird gleichzeitig ein jeweils ein elektrisches Signal erzeugt, welches durch Messgeber zu einem Steuersignal verarbeitet wird. Dabei ist jedem Photonendetektor vorzugsweise ein Messgeber nachgeschaltet. Durch den Einsatz der Polarisatoren in Kombination mit dem nicht-linearen Kristall kann basierend auf dem Prinzip der spontanen parametrischen Fluoreszenz bzw. der sogenannten „spontaneous parametric down coversion type II“ eine Verschränkung der Sekundärphotonen geschaffen werden, die sich wie ein Photon verhalten und somit zeitgleich ein elektrisches Signal der Photonendetektoren erzeugen können.
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Die Sekundärphotonen weisen Polarisationsrichtungen auf, die orthogonal zueinander gerichtet sind. Die Polarisatoren des Quantenzufallsgenerators sind entsprechend der Polarisationsrichtungen der Sekundärphotonen ausgerichtet oder gedreht, um diese ungehindert zu transmittieren.
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Der nicht-lineare Kristall kann beispielsweise ein Beta-Bariumborat oder ein Lithiumniobat sein. Bedingt durch das rauschartige Erzeugen von Sekundärphotonen mittels des nicht-linearen Kristalls, kann eine zufällige Erzeugung von zwei gleichzeitigen Steuersignalen realisiert werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Quantenzufallsgenerator zum Erzeugen von Paaren von zwei verschränkten Sekundärphotonen ausgebildet. Eine Auswerteeinheit ist vorgesehen, um die Sekundärphotonen zu empfangen und um die Polarisationsrichtung des Sendepolarisators und die Polarisationsrichtung des Empfangspolarisators gleichzeitig zu ändern, wenn gleichzeitig ein Paar von zwei verschränkten Sekundärphotonen mit vorgegebenen Polarisationsrichtungen empfangen wird. Die Auswerteeinheit kann hierbei einteilig oder mehrteilig ausgestaltet sein. Insbesondere kann die Auswerteeinheit Polarisationsfilter und Photonendetektoren aufweisen, durch welche die Sekundärphotonen detektiert werden können. Messgeber der Auswerteeinheit können die Signale der Photonengeber umwandeln, um beispielsweise Aktuatoren anzusteuern.
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Bei einem Ausführungsbeispiel sind der einstellbare Sendepolarisator und der einstellbare Empfangspolarisator als Polarisationsmodulatoren ausgestaltet, wobei ein Polarisationsmodulator basierend auf einem Festkörperkristall, einer schaltbaren Flüssigkeit und/oder basierend auf mindestens einem drehbaren oder schwenkbaren Linearpolarisator hinsichtlich einer Polarisationsrichtung einstellbar ist.
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Das Einstellen des Polarisationsmodulators kann dabei dahingehend erfolgen, dass eine Polarisationsrichtung der den Polarisationsmodulator passierenden Strahlen verändert wird. Dies kann beispielsweise durch ein kontinuierliches Drehen der Polarisationsrichtung um einen definierten Winkelbereich, wie beispielsweise 5°, 10°, 15° und dergleichen, erfolgen.
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Das Ausüben einer mechanischen oder elektrostatischen Kraft auf einen, beispielsweise piezoelektrischen, Festkörperkristall kann eine Änderung der resultierenden Polarisationsrichtung verursachen.
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Entsprechend kann auch ein Flüssigkristall bzw. eine schaltbare Flüssigkeit durch Anlegen eines äußeren elektrostatischen oder elektromagnetischen Felds zum Anpassen oder Verändern einer Polarisationsrichtung von Strahlen, die durch die Flüssigkeit transmittieren, verwendet werden.
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In einer technisch besonders einfachen Ausgestaltung kann der Polarisationsmodulator als ein Linearpolarisator ausgestaltet sein, welcher entlang einer Achse drehbar oder schwenkbar ausgestaltet ist, um die Polarisationsrichtung zu verändern. Der Linearpolarisator kann hierbei mit einem Motor bzw. Schrittmotor verstellbar sein. Der Motor kann dabei durch einen Messgeber angesteuert werden, um einen oder mehrere Schritte zu iterieren und somit den Linearpolarisator um einen vordefinierten Winkelbereich weiterzudrehen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Quantenzufallsgenerator eine Anregungsquelle zum Belichten eines nicht-linearen Kristalls mit Primärphotonen, einen nicht-linearen Kristall zum Erzeugen von verschränkten Sekundärphotonen mit zueinander orthogonal ausgerichteten Polarisationsrichtungen mittels spontaner parametrischer Fluoreszenz auf. Des Weiteren weist die Auswerteeinheit zwei Polarisatoren mit orthogonalen Polarisationsrichtungen und zwei den Polarisatoren nachgeschaltete Photonendetektoren zum Detektieren der Sekundärphotonen auf.
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Bevorzugterweise erzeugen die Photonendetektoren beim Empfang eines Sekundärphotons jeweils ein Steuersignal, wobei das Steuersignal des ersten Photonendetektors zum Ändern der Polarisation des Sendepolarisators und das Steuersignal des zweiten Photonendetektors zum Ändern der Polarisation des Empfangspolarisators verwendbar ist.
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Hierdurch können verschränkte Sekundärphotonen erzeugt werden, die eine zeitgleiche Ansteuerung von Polarisationsmodulatoren auslösen können. Die LIDAR-Vorrichtung kann durch diese Maßnahme besonders präzise betrieben werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Auswerteeinheit einen sendeseitigen Photonendetektor und einen empfangsseitigen Photonendetektor auf, wobei der sendeseitige Photonendetektor mit einem sendeseitigen Messgeber und der empfangsseitige Photonendetektor mit einem empfangsseitigen Messgeber verbunden ist, wobei der sendeseitige Messgeber dazu eingerichtet ist, die Polarisationsrichtung des Sendepolarisators und der empfangsseitige Messgeber dazu eingerichtet ist, die Polarisationsrichtung des Empfangspolarisators, insbesondere zeitgleich, zu verändern. Hierdurch können die Messgeber als iterative Encoder betrieben werden, die bei jeder Erkennung von Sekundärphotonen die Polarisationsrichtung um einen vordefinierten Winkelbereich iterativ verändern können. Somit kann ein Polarisationsmodulator Schritt für Schritt weitergedreht werden, wenn eine Photonendetektion stattfindet.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist eine Polarisationsrichtung des Sendepolarisators einstellbar, welche orthogonal oder parallel zu einer Polarisationsrichtung des Empfangspolarisators gerichtet ist. Je nach Ausgestaltung des Quantenzufallsgenerators kann spontane parametrische Fluoreszenz ersten Typs oder zweiten Typs verursacht werden.
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Bei einer spontanen parametrischen Fluoreszenz ersten Typs kann die Polarisationsrichtung der Polarisatoren des Quantenzufallsgenerators gleich sein.
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Bei einer spontanen parametrischen Fluoreszenz zweiten Typs kann die Polarisationsrichtung der Polarisatoren des Quantenzufallsgenerators orthogonal zueinander verlaufen.
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Der Empfangspolarisator und der Sendepolarisator können entsprechend der erwarteten Polarisationsrichtung der erzeugten und polarisierten Strahlen hinsichtlich ihrer Polarisationsrichtungen aufeinander angepasst sein. Somit können nur derartige Strahlen aus dem Abtastbereich zum Detektor der LIDAR-Vorrichtung durch den Empfangspolarisator durchdringen, die im Vorfeld vom Sendepolarisator polarisiert wurden. Die Strahlen von benachbarten LIDAR-Vorrichtungen können somit effizient blockiert werden, um Wechselwirkungen zu vermeiden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die LIDAR-Vorrichtung ein Steuergerät, welches mit der mindestens einen Strahlenquelle und mit dem mindestens einen Detektor datenleitend verbunden ist, um mindestens eine Entfernung zwischen der LIDAR-Vorrichtung und mindestens einem Objekt in dem Abtastbereich zu ermitteln.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer LIDAR-Vorrichtung bereitgestellt, die einen Sendepolarisator und einen Empfangspolarisator aufweist. Dabei werden Photonen erzeugt, die zur Einstellung einer Polarisationsrichtung des Sendepolarisators und zur Einstellung der Polarisationsrichtung des Empfangspolarisators verwendet werden. Durch die Verschränkung kann eine präzise gleichzeitige Ansteuerung des Sendepolarisators und des Empfangspolarisators erfolgen.
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Je nach Ausgestaltung kann die Erzeugung der Photonen zufällig erfolgen, wodurch die Veränderung der Polarisierung Ansteuerung des Sendepolarisators und des Empfangspolarisators kryptografisch geschützt werden, da eine zweite LIDAR-Vorrichtung von einer identischen Ansteuerung der Polarisatoren ausgeschlossen ist.
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Des Weiteren werden die Photonen als Photonenpaare zufällig erzeugt, die verschränkte Polarisationsrichtungen aufweisen. Hierdurch kann die Polarisationsrichtung der Sekundärphotonen im Vorfeld ermittelt und zur Ansteuerung von Messgebern eingesetzt werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform werden die Photonen eines Photonenpaares mit Polarisationsrichtungen erzeugt, welche orthogonal oder parallel zueinander ausgerichtet sind. Hierdurch können den Photonendetektoren der Auswerteeinheit vordefinierte Polarisationsfilter vorgeschaltet werden, die ausschließlich die zufällig erzeugten Sekundärphotonen transmittieren. Fremdlicht kann somit effizient blockiert und eine Manipulation der LIDAR-Vorrichtung erschwert werden.
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Im Folgenden wird anhand einer stark vereinfachten schematischen Darstellung ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigt
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Die 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße LIDAR-Vorrichtung 21 gemäß einer Ausführungsform. Die LIDAR-Vorrichtung 21 dient zum Abtasten von einem Abtastbereich A.
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Die LIDAR-Vorrichtung weist eine Sendeeinheit 17 und eine Empfangseinheit 18 auf. Die Sendeeinheit 17 weist eine Strahlenquelle 1 zum Erzeugen und Emittieren von Strahlen 15 in den Abtastbereich A auf. Die Strahlenquelle 1 kann als ein Laser, eine LED oder als ein Array mit einer Vielzahl von LEDs oder Lasern ausgestaltet sein.
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Die Empfangseinheit 18 weist einen Detektor 13 zum Empfangen von aus dem Abtastbereich A rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen 16 auf. Die erzeugten Strahlen 15 können beispielsweise an Objekten 20 im Abtastbereich A reflektiert und/oder rückgestreut werden.
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Die Sendeeinheit 17 weist einen einstellbaren Sendepolarisator 5 zum Beaufschlagen von erzeugten Strahlen 15 mit einer Polarisierung auf. Analog hierzu weist die Empfangseinheit 18 einen einstellbaren, dem Detektor 13 vorgeschalteten, Empfangspolarisator 12 in Form eines Polarisationsfilters auf
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Der Sendepolarisator 5 ist im Strahlengang der Strahlenquelle 1 angeordnet. Die durch den Sendepolarisator 5 polarisierten Strahlen werden durch eine Sendeoptik 7 geformt und in den Abtastbereich A emittiert.
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Der Empfangspolarisator 12 ist im Strahlengang der empfangenen Strahlen 16 einer Empfangsoptik 14 nachgeschaltet, die die empfangenen Strahlen 16 formt und auf den Detektor 13 lenkt bzw. fokussiert.
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Der Empfangspolarisator 12 ist dabei derart ausgelegt, dass er nur diejenigen Strahlen 16 aus dem Abtastbereich A transmittieren lässt, die vor dem Emittieren in den Abtastbereich A durch den Sendepolarisator 5 polarisiert wurden.
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Der einstellbare Sendepolarisator 5 und der einstellbare Empfangspolarisator 12 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel als Polarisationsmodulatoren in Form von rotierbaren Linearpolarisatoren bzw. linearen Polarisationsfiltern ausgestaltet. Dabei können der Sendepolarisator 5 und der Empfangspolarisator 12 in vordefinierten Winkelabschnitten, beispielsweise um 15°, iterativ gedreht werden, wenn entsprechende Steuersignale dies veranlassen. Der der Sendepolarisator 5 und der Empfangspolarisator 12 können somit eine Polarisationsrichtung bzw. einen Polarisationswinkel von 15°, 30°, 45°, 60°, 75° etc. einnehmen.
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Zum Einstellen der Polarisationsrichtung des Sendepolarisators 5 und des Empfangspolarisators 12 ist ein Quantengenerator 22 vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Quantengenerator 22 als ein Quantenzufallsgenerator 22 ausgestaltet.
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Der Quantenzufallsgenerator 22 weist eine Anregungsquelle 4 zum Belichten eines nicht-linearen Kristalls 8 mit Primärphotonen auf. Der nicht-lineare Kristall 8 kann beispielsweise ein Beta-Bariumborat oder ein Lithiumniobat sein. Durch die Bestrahlung des nicht-linearen Kristalls 8 mit den Primärphotonen können zwei parallele Sekundärphotonen erzeugt werden. Diese Sekundärphotonen werden gemäß dem Zufallsprinzip durch Rauschen erzeugt. Pro Primärphoton können zwei Sekundärphotonen mittels spontaner parametrischer Fluoreszenz erzeugt werden. Die zwei Sekundärphotonen weisen orthogonale Polarisationsrichtungen auf, d.h. die Polarisationsrichtungen der zwei Sekundärphotonen sind miteinander verschränkt (Type II SPDC). Diese Sekundärphotonen können durch Spiegel oder Lichtleiter umgelenkt oder direkt auf zwei Polarisatoren 6, 21 gestrahlt werden. Die Polarisatoren 6, 21 sind als Polarisationsfilter ausgestaltet. Durch die Festlegung einer Polarisationsrichtung von einem der beiden Sekundärphotonen kann der Zustand des zweiten Sekundärphotons durch Verschränkung der Sekundärphotonen festgelegt werden.
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Des Weiteren weist der Quantenzufallsgenerator 22 zwei, den Polarisatoren 6, 21 nachgeschaltete, Photonendetektoren 3, 10 zum Detektieren der Sekundärphotonen auf.
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Durch das rauschartige Erzeugen von Sekundärphotonen mittels des nicht-linearen Kristalls 8 und das Verschränken der Sekundärphotonen kann eine zufällige Erzeugung von zwei gleichzeitigen Steuersignalen realisiert werden, die auf dem Detektieren der Sekundärphotonen mittels der Photonendetektoren 3, 10 basieren. Hierzu weist der Quantenzufallsgenerator 22 einen sendeseitigen Photonendetektor 3 und einen empfangsseitigen Photonendetektor 10 auf.
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Die Photonendetektoren 6, 10 sind mit jeweils einem Messgeber 2, 11 verbunden. Die Messgeber 2, 11 sind dazu eingerichtet die Polarisationsrichtungen des Sendepolarisators 5 und des Empfangspolarisators 12, insbesondere zeitgleich, zu verändern. Hierzu wandeln die Messgeber 2, 11 die elektrischen Signale der Photonendetektoren 3, 10 in Steuerbefehle bzw. Steuersignale.
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Die Steuersignale werden durch den Quantenzufallsgenerator 22 zufällig erzeugt, wodurch eine kryptografische Kodierung der erzeugten Strahlen 15 und der empfangenen Strahlen 16 realisiert wird. Die Polarisationsrichtung wird somit durch den Quantenzufallsgenerator 22 iterativ verändert, insbesondere mit einer zufälligen bzw. zufallsverteilten Geschwindigkeit bzw. zeitlichem Intervall.
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Des Weiteren ist ein Steuergerät 9 vorgesehen, welches mit der Strahlenquelle 1 und dem Detektor 13 der LIDAR-Vorrichtung 21 datenleitend verbunden ist, um mindestens eine Entfernung zwischen mindestens einem Objekt 20 in dem Abtastbereich A zu ermitteln.
