DE102022100948A1

DE102022100948A1 - System zur Erzeugung einer einstellbaren Verzögerung

Info

Publication number: DE102022100948A1
Application number: DE102022100948.3A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Simper; Martin Vossiek; Christian Carlowitz; Peter Tschapek
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2022-01-17
Publication date: 2022-09-29
Also published as: US20220311518A1; US11784718B2; US20230036960A1; US11502755B2

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt ein System zur Schaffung einer einstellbaren Verzögerung in einem optischen Signal bereit. Das System hat eine Eingangsschnittstelle zum Empfangen eines optischen Eingangssignals. Das System weist einen ersten optischen Modulator auf, der so eingerichtet ist, dass er die Frequenz des optischen Eingangssignals in Abhängigkeit von einer Einstellung des ersten optischen Modulators verschiebt, wodurch ein moduliertes optisches Signal erzeugt wird. Das System umfasst wenigstens zwei frequenzselektive Reflektoren, die so eingerichtet sind, dass sie das modulierte optische Signal reflektieren und dadurch ein reflektiertes Signal liefern. Das System weist ein Steuermodul auf, das die Einstellung des ersten optischen Modulators so anpasst, dass eine vom ersten optischen Modulator eingebrachte Frequenzverschiebung des optischen Eingangssignals mittels des Steuermoduls eingestellt wird. Die vom ersten optischen Modulator eingebrachte Frequenzverschiebung entspricht einer Betriebsfrequenz eines der wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren, die der Einstellung des ersten optischen Modulators zugeordnet sind. Das System weist eine Ausgangsfaser auf, die das reflektierte Signal von dem entsprechenden frequenzselektiven Reflektor empfängt.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen allgemein ein System zur Erzeugung einer einstellbaren Verzögerung in einem optischen Signal zur Lieferung einer Antwort an ein optisches System, zum Beispiel ein Lichterkennungs- und Entfernungsmesssystem (engl. light detection and ranging system (LiDAR-System)).
HINTERGRUND
LiDAR-Systeme wie etwa LiDAR-Sensoren werden in unterschiedlichen Anwendungsbereichen immer beliebter, insbesondere in der Kraftfahrzeugbranche aufgrund des autonomen Fahrens, auch als selbstfahrende Fahrzeuge bezeichnet. Da die LiDAR-Systeme in unterschiedlichen technischen Bereichen immer beliebter werden, ist es auch notwendig, die verschiedenen LiDAR-Systeme hinsichtlich ihrer jeweiligen Eigenschaften zu validieren und zu vergleichen. Für Vehicle-in-the-Loop-Tests eines selbstfahrenden Fahrzeugs, das mit wenigstens einem LiDAR-System ausgestattet ist, ist ein LiDAR-Zielsimulator zur Validierung des entsprechenden LiDAR-Systems erforderlich.
Üblicherweise simuliert der Zielsimulator ein bestimmtes Zielszenario, auch Szenerie genannt, zur Validierung des zu prüfenden LiDAR-Systems und erzeugt dadurch ein Antwortsignal an das LiDAR-System, nämlich ein Antwortsignal auf ein vom LiDAR-System ausgegebenes Signal. Je nach dem angewendeten Zielszenario wird wenigstens ein Ziel mit entsprechenden Eigenschaften simuliert, wobei die Eigenschaften dem Antwortsignal zugeordnet sind.
Allgemein empfängt der Zielsimulator ein vom LiDAR-System gesendetes optisches Signal und reagiert mit einem verzögerten Signal, das entsprechend dem angewendeten Zielszenario ein reflektiertes Signal eines Ziels bzw. eines Hindernisses darstellen soll. Die zeitliche Verzögerung stellt die Entfernung des Ziels bzw. des Hindernisses in Bezug auf das zu prüfende LiDAR-System dar.
Im Stand der Technik sind LiDAR-Zielsimulatoren bekannt, die das vom LiDAR-System bereitgestellte Signal mittels eines Sensors abtasten. Die LiDAR-Zielsimulatoren erzeugen dann das verzögerte Signal in Übereinstimmung mit dem angewendeten Zielszenario. Somit wird das verzögerte Signal intern auf der Grundlage von Einstellungen erzeugt, die dem Ziel bzw. dem Hindernis des jeweils angewendeten Zielszenarios zugeordnet sind. Das verzögerte Signal wird als Rücksignal ausgegeben, das bestimmte Eigenschaften aufweist, die dem Ziel bzw. Hindernis des jeweils angewendeten Zielszenarios zugeordnet sind. Mit anderen Worten, der LiDAR-Zielsimulator, auch als LiDAR-Echosystem bezeichnet, erfasst das vom LiDAR-System ausgegebene Signal, z.B. den Impuls des LiDAR-Systems, und sendet eine verzögerte Version zurück, die mit Hilfe eines laserbasierten Signalgenerators synthetisiert wird. Der LiDAR-Zielsimulator unterstützt nur eine Antwort für ein inkohärentes LiDAR-Konzept. Außerdem ist die optische Mittenfrequenz des Zielsimulators nicht mit dem LiDAR-System gekoppelt, was einen präzisen Einstellaufwand erfordert, um eine ausreichende Überlappung sicherzustellen.
Jedoch ist es bei komplexen Signalformen/-mustern bzw. frequenzmodulierten Dauerstrichsignalen (FMCW-Signalen (engl. frequency-modulated continuous wave)) sehr schwierig, das jeweilige Signal abzutasten und das entsprechende verzögerte Signal zu erzeugen.
Dementsprechend besteht Bedarf an einer einfachen und kostengünstigen Möglichkeit, eine Verzögerung in einem empfangenen optischen Signal zu schaffen, um eine Antwort auf ein optisches Signal zu liefern, die das optische Signal ausgibt. Darüber hinaus muss die jeweilige in das optische Signal eingebrachte Verzögerung einstellbar sein, damit sichergestellt ist, dass das System zum Testen des optischen Systems, z.B. des LiDAR-Systems, hinsichtlich unterschiedlicher (Ziel-)Szenarien verwendet werden kann.
KURZFASSUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen ein System zur Schaffung einer einstellbaren Verzögerung in einem optischen Signal zur Lieferung einer Antwort an ein optisches System, zum Beispiel ein LiDAR-System, bereit. Das System umfasst eine Eingangsschnittstelle zum Empfangen eines optischen Eingangssignals, insbesondere eines optischen Eingangssignals, das vom zu prüfenden optischen System, nämlich vom LiDAR-System, abgegeben wird. Das System umfasst ferner einen ersten optischen Modulator, der der Eingangsschnittstelle zugeordnet ist. Der erste optische Modulator ist so eingerichtet, dass er die Frequenz des empfangenen optischen Eingangssignals abhängig von einer Einstellung des ersten optischen Modulators verschiebt, wodurch ein moduliertes optisches Signal erzeugt wird. Darüber hinaus umfasst das System wenigstens zwei frequenzselektive Reflektoren, die so eingerichtet sind, dass sie das modulierte optische Signal reflektieren und dadurch ein reflektiertes Signal liefern. Außerdem weist das System ein Steuermodul auf, das mit dem ersten optischen Modulator verbunden ist. Das Steuermodul ist dazu eingerichtet, die Einstellung des ersten optischen Modulators so anzupassen, dass eine vom ersten optischen Modulator eingebrachte Frequenzverschiebung des optischen Eingangssignals mittels des Steuermoduls eingestellt wird. Die vom ersten optischen Modulator eingebrachte Frequenzverschiebung entspricht einer Betriebsfrequenz eines der wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren, die der Einstellung des ersten optischen Modulators zugeordnet sind. Zudem umfasst das System eine Ausgangsfaser, die den wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren zugeordnet ist. Die Ausgangsfaser empfängt das reflektierte Signal von dem entsprechenden frequenzselektiven Reflektor.
Des Weiteren stellen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein System zur Schaffung einer einstellbaren Verzögerung in einem optischen Signal zur Lieferung einer Antwort an ein optisches System bereit. Das System umfasst eine Eingangsschnittstelle zum Empfangen eines optischen Eingangssignals. Das System umfasst wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen unterschiedlicher Länge, die der Eingangsschnittstelle zugeordnet sind. Das System weist auch wenigstens einen optischen Schalter auf, der der Eingangsschnittstelle und den wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen zugeordnet ist. Der wenigstens eine optische Schalter ist so eingerichtet, dass er das an der Eingangsschnittstelle empfangene optische Eingangssignal abhängig von einer Einstellung des optischen Schalters auf wenigstens eine der wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen leitet. Darüber hinaus weist das System ein Steuermodul auf, das mit dem wenigstens einen optischen Schalter verbunden ist. Das Steuermodul ist so eingerichtet, dass es die Einstellung des optischen Schalters anpasst.
Grundsätzlich kann das System unabhängig von der Signalform des optischen Eingangssignals, z.B. des Signals von dem optischen System, nämlich dem zu prüfenden LiDAR-System, verwendet werden, da die jeweilige Verzögerung rein im optischen (Frequenz-)Bereich des vom System verarbeiteten Signals erfolgt. Mit anderen Worten, das optische Eingangssignal wird vom System nicht abgetastet, da das optische Eingangssignal im optischen Bereich verarbeitet wird. Die jeweilige Verzögerung wird abhängig von der Einstellung des ersten optischen Modulators eingebracht, da die zeitliche Verzögerung des reflektierten Signals mit der vom ersten optischen Modulator eingebrachten Frequenzverschiebung zusammenhängt. Die jeweils eingebrachte Frequenzverschiebung bestimmt, welcher der wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren zur Reflexion des modulierten optischen Signals verwendet wird, da die Frequenz auf die Betriebsfrequenz eines fest zugeordneten frequenzselektiven Reflektors verschoben werden kann. Der fest zugeordnete frequenzselektive Reflektor der wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren befindet sich an einer bestimmten Position, die der zeitlichen Verzögerung zugeordnet ist. Somit entspricht die Betriebsfrequenz des frequenzselektiven Reflektors der Frequenz des Signals, das von dem entsprechenden frequenzselektiven Reflektor reflektiert wird.
Mit anderen Worten, die frequenzselektiven Reflektoren, zum Beispiel Faser-Bragg-Gitter (FBGs), befinden sich in bestimmten Entfernungen, die unterschiedlichen zeitlichen Verzögerungen zugeordnet sind. Das vom ersten optischen Modulator ausgegebene modulierte optische Signal wird von einem fest zugeordneten der wenigstens zwei, insbesondere mehreren, frequenzselektiven Reflektoren reflektiert, wobei der fest zugeordnete frequenzselektive Reflektor der Entfernung eines je nach dem angewendeten Zielszenario zu simulierenden Ziels entspricht.
Im Allgemeinen wird bei dem System gemäß der vorliegenden Offenbarung eine faseroptische Verzögerungsleitung angewendet, da das über die Eingangsschnittstelle empfangene optische Eingangssignal mittels des ersten optischen Modulators so moduliert wird, dass das modulierte optische Signal von dem fest zugeordneten der wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren reflektiert wird. Die vom ersten optischen Modulator eingebrachte Modulation wird mittels des Steuermoduls gesteuert, das den ersten optischen Modulator entsprechend so einstellt, dass die Frequenz des optischen Eingangssignals je nach der Einstellung des entsprechend gesteuerten ersten optischen Modulators verschoben wird. Die eingebrachte Frequenzverschiebung ist für das angewendete Zielszenario, z.B. das wenigstens eine simulierte Ziel, charakteristisch, da die Frequenzverschiebung bestimmt, welcher der wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren aktiv wird bzw. das modulierte optische Signal reflektiert. Die Auswahl des frequenzselektiven Reflektors, der zur Reflexion des modulierten optischen Signals verwendet wird, hat einen Einfluss auf die Verzögerung, die in das vom System verarbeitete Signal eingebracht wird, da das reflektierte Signal gegenüber dem optischen Eingangssignal unterschiedlich verzögert wird. Wie oben erwähnt, hängt dies von der Position des fest zugeordneten frequenzselektiven Reflektors ab, nämlich der Frequenzverschiebung, die durch den ersten optischen Modulator eingebracht wird. Danach wird das reflektierte Signal so an die Ausgangsfaser weitergeleitet, dass das reflektierte Signal an das optische System weitergeleitet werden kann, damit es zum Prüfen des optischen Systems, insbesondere des LiDAR-Systems, verwendet wird.
Der optische Modulator kann durch einen Mach-Zehnder-Modulator (MZM) ausgeführt sein.
Des Weiteren kann zwischen unterschiedlichen Signalverzögerungen elektronisch und sehr schnell umgeschaltet werden, wodurch verschiedene Verzögerungen erzeugt werden, um ein jeweiliges Zielszenario zu simulieren. Die wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen können jeweils ein erstes Ende aufweisen, das dem wenigstens einen optischen Schalter zugeordnet ist, der zwischen den wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen und der Eingangsschnittstelle gelegen ist. Ferner weisen die wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen jeweils ein zweites Ende auf, das zu dem jeweiligen ersten Ende entgegengesetzt ist; das verzögerte Signal wird an den jeweiligen zweiten Enden ausgegeben. Die zweiten Enden können an die Ausgangsfaser angeschlossen sein, insbesondere über einen zweiten optischen Schalter, wodurch ein von der Ausgangsfaser hergestellter gemeinsamer Ausgang sichergestellt ist.
In der Regel bezieht sich das optische Eingangssignal auf einen Impuls. Anders ausgedrückt, das optische Eingangssignal hat eine Impulsform. Das optische Eingangssignal kann sich jedoch auch auf eine kontinuierliche frequenzmodulierte Dauerstrichüberstreichung (FMCW-Überstreichung) beziehen.
Darüber hinaus wird eine rein optische Signalmanipulation für optische Systeme wie etwa LiDAR-Systeme mit schneller elektrooptischer Modulation verwendet, was kohärente Antwortsignale auf der gleichen Wellenlänge sowie eine richtungsabhängige Signalverzögerung für optische Abtastsysteme zur Emulation einer dreidimensionalen Szenerie in Echtzeit ermöglicht.
Somit lassen sich kohärente optische Systeme, z.B. kohärente LiDAR-Systeme, mit schneller Zielumschaltung prüfen. Außerdem bleibt die jeweilige Form des Signals des optischen Systems, z.B. des LiDAR-Systems, erhalten, aber das Signal, insbesondere seine jeweilige Form, kann präzise manipuliert werden.
Bei einem Aspekt ist vorgesehen, dass das Steuermodul ferner so eingerichtet ist, dass es den ersten optischen Modulator und/oder den ersten optischen Schalter anhand einer Entfernung des zu emulierenden Ziels steuert, wobei die Entfernung des zu emulierenden Ziels von einem Benutzer je nach dem angewendeten Zielszenario eingestellt wird. Der Benutzer kann ein bestimmtes Zielszenario auswählen, das zum Prüfen des optischen Systems, insbesondere des LiDAR-Systems, verwendet wird. Je nach dem ausgewählten Zielszenario steuert das Steuermodul den ersten optischen Modulator und/oder den ersten optischen Schalter unterschiedlich und stellt dadurch sicher, dass das optische Eingangssignal hinsichtlich seiner Frequenz unterschiedlich verschoben wird, wodurch ein unterschiedlich moduliertes optisches Signal erzeugt wird, das unterschiedlich verzögert wird.
Die unterschiedliche Verzögerung kann eingebracht werden, während das jeweilige Signal von einem anderen frequenzselektiven Reflektor reflektiert wird. Dies bedeutet, der Benutzer kann ein erstes Zielszenario auswählen, das mit einer ersten Einstellung des optischen Modulators einhergeht, derart, dass eine erste Frequenzverschiebung vom ersten optischen Modulator eingebracht wird, wodurch sichergestellt ist, dass das modulierte optische Signal vom ersten der wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren reflektiert wird. Alternativ dazu kann vom Benutzer ein zweites Zielszenario so ausgewählt werden, dass eine zweite Einstellung des ersten optischen Modulators angewendet wird, was zu einer zweiten Frequenzverschiebung des optischen Eingangssignals führt, wodurch ein unterschiedlich moduliertes optisches Signal erzeugt wird, das vom zweiten der wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren reflektiert wird. Daher ist die vom System eingebrachte Verzögerung aufgrund des angewendeten unterschiedlichen Zielszenarios unterschiedlich, nämlich aufgrund der vom ersten optischen Modulator eingebrachten unterschiedlichen Frequenzverschiebung.
Als Alternative wird die unterschiedliche Verzögerung durch die unterschiedliche Länge der Faserverzögerungsleitung eingeführt, die über den optischen Schalter, der vom Steuermodul entsprechend gesteuert wird, mit der Eingangsschnittstelle verbunden ist.
Bei einem weiteren Aspekt ist vorgesehen, dass dieses System eine einer Ausgangsfaser zugeordnete Ausgangsschnittstelle umfasst. Die Ausgangsschnittstelle empfängt das reflektierte Signal bzw. das verzögerte Signal. Die Ausgangsschnittstelle kann dem vom System zu prüfenden optischen System, nämlich dem zu prüfenden LiDAR-System, zugeordnet sein. Das LiDAR-System kann das reflektierte Signal über die Ausgangsschnittstelle des Systems empfangen, wodurch sichergestellt wird, dass die Eigenschaften des optischen Systems, also des LiDAR-Systems, in geeigneter Weise ausgewertet werden können.
Das System kann einen zweiten optischen Modulator umfassen, der der Ausgangsfaser zugeordnet ist. Der zweite optische Modulator kann das reflektierte Signal vor der Weiterleitung des reflektierten Signals an die Ausgangsschnittstelle weiter modulieren, wodurch ein moduliertes reflektiertes Signal geliefert wird. Dementsprechend wird das modulierte reflektierte Signal mittels des zweiten optischen Modulators erzeugt, der das reflektierte Signal verarbeitet.
Das Steuermodul kann mit dem zweiten optischen Modulator so verbunden sein, dass eine vom zweiten optischen Modulator eingebrachte Frequenzverschiebung des reflektierten Signals mittels des Steuermoduls eingestellt wird. Auch hier kann das Steuermodul den zweiten optischen Modulator je nach einem bestimmten angewendeten Zielszenario steuern, das vom Benutzer des Systems zuvor ausgewählt wurde. Somit kann eine beabsichtigte Frequenzverschiebung bezüglich des optischen Eingangssignals absichtlich eingebracht werden.
Der zweite optische Modulator kann so eingerichtet sein, dass er die Frequenz des reflektierten Signals auf eine gewünschte Antwortfrequenz verschiebt. Daher kann der Benutzer über das entsprechende Zielszenario die gewünschte Antwortfrequenz des verzögerten Signals auswählen, das zum Prüfen des optischen Systems verwendet wird. Der zweite optische Modulator sorgt dafür, dass die gewünschte Frequenz des Antwortsignals, also des modulierten reflektierten Signals, erreicht wird.
Wiederum kann der zweite optische Modulator auch durch einen Mach-Zehnder-Modulator (MZM) gebildet sein.
Allgemein kann der zweite optische Modulator so eingerichtet sein, dass er bezüglich des optischen Eingangssignals eine Doppler-Verschiebung des reflektierten Signals liefert. Daher können vom System verschiedene Zielszenarien simuliert werden, z.B. verschiedene Geschwindigkeiten des simulierten Ziels, nämlich ein sich näherndes Ziel bzw. ein sich entfernendes Ziel in Bezug auf das zu prüfende optische System, nämlich das LiDAR-System. Somit können unterschiedliche Szenarien in geeigneter Weise simuliert werden.
Bei einem weiteren Aspekt ist vorgesehen, dass das Steuermodul einen Signalgenerator umfasst, der ein Steuersignal ausgibt, das zur Steuerung des optischen Modulators dient. Das Steuersignal kann zur Frequenzverschiebung des jeweiligen von dem entsprechenden optischen Modulator, nämlich dem ersten optischen Modulator bzw. dem zweiten optischen Modulator, verarbeiteten Signals verwendet werden. Das Steuermodul kann somit wenigstens zwei verschiedene Signalgeneratoren bzw. einen einzigen Signalgenerator umfassen, der so eingerichtet ist, dass er zwei verschiedene Steuersignale ausgibt, die von den verschiedenen optischen Modulatoren entsprechend verarbeitet werden.
Üblicherweise verschiebt der jeweilige optische Modulator die Frequenz des optischen Eingangssignals, nämlich des Signals des LiDAR-Systems, indem er das vom Signalgenerator empfangene Steuersignal verarbeitet.
Der jeweilige optische Modulator empfängt das optische Eingangssignal, nämlich das Signal des LiDAR-Systems, sowie das vom Signalgenerator gelieferte Steuersignal und verschiebt dadurch die Frequenz des optischen Eingangssignals entsprechend, nämlich die Frequenz des Signals des LiDAR-Systems.
Die wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren können einer Faser zugeordnet sein. Somit können die wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren innerhalb einer Faser, z.B. einer optischen Faser, gelegen sein. Wie oben erwähnt, können die frequenzselektiven Reflektoren durch Faser-Bragg-Gitter (FBGs) in bestimmten Abständen innerhalb der Faser ausgebildet sein. Daher erfolgt die Reflexion des modulierten optischen Signals in einer bestimmten Entfernung, die dem fest zugeordneten frequenzselektiven Reflektor zugeordnet ist, der aufgrund der vom ersten optischen Modulator eingebrachten Frequenzverschiebung auf die Frequenz des modulierten optischen Signals anspricht.
Des Weiteren kann das System einen Positionssensor umfassen, der so eingerichtet ist, dass er die Richtung des optischen Eingangssignals feststellt. Der Positionssensor kann einem Schirm so zugeordnet sein, dass Informationen über ein Auftreffen des optischen Eingangssignals auf dem Schirm vom Positionssensor gewonnen werden können.
Der Positionssensor kann sich auf einen positionsempfindlichen Detektor, eine Detektoranordnung und/oder einen Einfallswinkelsensor beziehen. Der Positionssensor kann sich nämlich auf eine zweidimensionale Detektoranordnung beziehen, derart, dass eine bestimmte Ebene entsteht, die zur Bestimmung des Ortes des auftreffenden optischen Eingangssignals verwendet werden kann. Der Einfallswinkelsensor erfasst den Auftreffwinkel des optischen Eingangssignals, das von dem zu prüfenden optischen System, also dem LiDAR-System, ausgesendet wird. Zu diesem Zweck kann der Einfallswinkelsensor mehrere (optische) Sensoren umfassen, beispielsweise drei Sensoren, mit denen der Einfallswinkel des von dem zu prüfenden optischen System abgegebenen optischen Eingangssignals bestimmt werden kann.
Der positionsempfindliche Detektor (engl. position sensitive detector (PSD)), auch als positionsempfindliches Bauelement bezeichnet, entspricht einem optischen Positionssensor, der eine Position eines Lichtpunktes in einer oder zwei Dimensionen auf einer (Sensor-)Oberfläche, zum Beispiel einem Schirm, messen kann. Die betreffenden Bauteile können zur Bestimmung des Ortes eines auf dem Schirm auftreffenden Lichtstrahls verwendet werden, nämlich des Lichtstrahls, der dem optischen Eingangssignal zugeordnet ist. Der positionsempfindliche Detektor (PSD) kann den Ort des Lichtstrahls mit einer unendlichen Auflösung erfassen.
Das System kann ferner einen Amplitudenmodifikator umfassen, der der Ausgangsfaser zugeordnet ist. Deshalb kann die Größe des reflektierten Signals entsprechend modifiziert werden, was von dem betreffenden angewendeten Zielszenario abhängt, das zuvor vom Benutzer ausgewählt wurde. Mit anderen Worten, das reflektierte Signal wird in seiner Amplitude eingestellt. Somit kann von dem Amplitudenmodifikator eine Querschnittsanpassung des simulierten Ziels sichergestellt werden. Es kann nämlich eine Dämpfung aufgrund einer emulierten Entfernung und/oder ein Verlustausgleich des Systems durch den Amplitudenmodifikator vorgesehen sein.
Bei einem weiteren Aspekt ist vorgesehen, dass das System einen ersten Zirkulator und einen zweiten Zirkulator umfasst, die Anschlüsse der Ausgangsfaser bilden. Die jeweiligen Zirkulatoren beziehen sich auf optische Zirkulatoren, die zur Weiterleitung des optischen Eingangssignals und des modifizierten optischen Signals sowie des reflektierten Signals und des modifizierten reflektierten Signals dienen.
Der erste optische Modulator kann zwischen dem ersten Zirkulator und dem zweiten Zirkulator gelegen sein. Das optische Eingangssignal wird über den ersten Zirkulator zum ersten optischen Modulator weitergeleitet, wobei das vom ersten optischen Modulator gelieferte modulierte optische Signal über den zweiten Zirkulator an die frequenzselektiven Reflektoren weitergeleitet wird.
Außerdem wird das vom fest zugeordneten frequenzselektiven Reflektor gelieferte reflektierte Signal über den zweiten Zirkulator zum zweiten optischen Modulator weitergeleitet, wobei das vom zweiten optischen Modulator gelieferte modulierte reflektierte Signal über den ersten Zirkulator zur Ausgangsschnittstelle weitergeleitet wird.
Die jeweiligen Zirkulatoren leiten also die Signale je nach ihrer Richtung unterschiedlich weiter, nämlich zu den frequenzselektiven Reflektoren hin oder von den frequenzselektiven Reflektoren stammend.
Allgemein kann das System wenigstens einen Richtungskoppler umfassen, der der Ausgangsfaser zugeordnet ist. Der Richtungskoppler kann anstelle der jeweiligen Zirkulatoren zum Einsatz kommen. Der Richtungskoppler lenkt das verzögerte Signal um, das mittels des zweiten optischen Modulators, z.B. des zweiten Mach-Zehnder-Modulators, auf seine ursprüngliche Mittenfrequenz zurück frequenzverschoben sein kann.
Ferner kann das System wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen unterschiedlicher Länge umfassen, die der Eingangsschnittstelle zugeordnet sind. Die wenigstens zwei verschiedenen Faserverzögerungsleitungen können jeweils wenigstens zwei verschiedene frequenzselektive Reflektoren, insbesondere mehrere frequenzselektive Reflektoren, aufweisen, die sich in unterschiedlichen Entfernungen in den Faserverzögerungsleitungen befinden. Die Faserverzögerungsleitungen können für eine Feineinstellung der eingebrachten Verzögerung verwendet werden, während die verschiedenen frequenzselektiven Reflektoren, die der entsprechenden Faser zugeordnet sind, für eine Grobeinstellung der Verzögerung genutzt werden können.
Bei einer bestimmten Ausführungsform kann das System wenigstens zwei in Reihe geschaltete Faserverzögerungsleitungen umfassen. Diese Faserverzögerungsleitungen können unterschiedliche Längen aufweisen. Die wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen können nämlich in eine geschaltete binäre Kaskade geschaltet sein. Je nach den Einstellungen von Schaltern der geschalteten binären Kaskade kann die eingebrachte Verzögerung stufenweise, insbesondere gesteuert über das Steuermodul, variiert werden.
Im Allgemeinen können N+1 Schalter und N Verzögerungsleitungen so vorgesehen sein, dass 2^N Verzögerungen simuliert werden können.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren und die wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen unterschiedlicher Länge in Reihe zusammengeschaltet. Somit kann mittels einer frequenzselektiven Einstellung, nämlich der wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren, eine Grobverzögerung eingestellt werden, und mittels unterschiedlicher Faserlängen der Verzögerungsleitungen kann eine Feineinstellung erzielt werden.
Darüber hinaus kann das System wenigstens einen optischen Schalter umfassen, der der Eingangsschnittstelle zugeordnet ist. Der optische Schalter kann dazu verwendet werden, das über die Eingangsschnittstelle empfangene optische Eingangssignal an eine ausgewählte der Faserverzögerungsleitungen weiterzuleiten, insbesondere abhängig von einer Steuerung des Steuermoduls.
Ferner kann das Steuermodul mit dem wenigstens einen optischen Schalter verbunden sein. Das Steuermodul ist so eingerichtet, dass es die Einstellung des optischen Schalters anpasst, wodurch sichergestellt ist, dass das optische Eingangssignal auf eine fest zugeordnete Faserverzögerungsleitung der wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen weitergeleitet wird. Dementsprechend kann die Feineinstellung der Verzögerung in kontrollierter Weise dadurch erfolgen, dass der optische Schalter die entsprechende Faserverzögerungsleitung auswählt.
Beispielsweise kann das System wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen unterschiedlicher Länge umfassen, die der Eingangsschnittstelle zugeordnet sind. Der wenigstens eine optische Schalter ist den wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen zugeordnet, wobei der wenigstens eine optische Schalter so eingerichtet ist, dass er das an der Eingangsschnittstelle empfangene optische Eingangssignal je nach einer Einstellung des optischen Schalters auf wenigstens eine der wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen leitet. Die Einstellung des optischen Schalters wird mittels des Steuermoduls gesteuert, das mit dem optischen Schalter verbunden ist, wodurch eine Feineinstellung der in das optische Signal eingebrachten Verzögerung sichergestellt ist.
Das optische System kann ein LiDAR-System sein, wobei das System ein LiDAR-Zielsimulator ist, der dazu eingerichtet ist, ein Ziel für das LiDAR-System zu simulieren. Daher kann das zu prüfende optische System, also das LiDAR-System, hinsichtlich seiner Eigenschaften bzw. Kenndaten geprüft werden, da unterschiedliche Ziele für das LiDAR-System simuliert werden können, insbesondere in Abhängigkeit von unterschiedlichen angewendeten Zielszenarien.
Die vorliegende Offenbarung betrifft somit einen neuartigen Ansatz zur Realisierung eines (LiDAR-)Zielsimulators, der überwiegend auf optischen Technologien beruht, nämlich frequenzselektiven Reflektoren, die in eine Faser und/oder Fasern unterschiedlicher Länge integriert sind. Der auf optischen Technologien beruhende Ansatz ermöglicht eine Nachbildung eines Szenarios vor dem zu prüfenden optischen System, z.B. dem LiDAR-System, ähnlich wie bei bestehenden elektronischen Zielsimulatoren für Radarsysteme.
Besonders bemerkenswert ist, dass das System gemäß der vorliegenden Offenbarung eine direkte Manipulation des LiDAR-Signals im optischen Frequenzbereich ermöglicht und es bei dem System somit nicht erforderlich ist, den optischen Impuls in einen digitalen und wieder zurück umzuwandeln, wie bei herkömmlichen Ansätzen.
In der Tat wird eine Frequenzumsetzung, z.B. mittels der optischen Modulatoren, zum schnellen Umschalten zwischen verschiedenen Verzögerungen eingesetzt, die den frequenzselektiven Reflektoren, also den Faser-Bragg-Gitterbasierten (FBG-basierten) Verzögerungen auf der Faser, zugeordnet sind. Hochfrequenzsignale, z.B. bis zu mindestens 70 GHz, sind machbar, wodurch eine große Anzahl an Entfernungsinkrementen bei einer LiDAR-Bandbreite von etwa 1 GHz realisierbar ist.
Die Frequenzumsetzung zwischen der Wellenlänge des optischen Eingangssignals, also des vom optischen System gelieferten Signals, und der Betriebswellenlänge des Zielsimulators kann auf nichtlinearen optischen Elementen mit den zusätzlichen Vorteilen einer Frequenzdriftkompensation beruhen.
Allgemein wird das optische Eingangssignal, nämlich das gesendete LiDAR-Signal (z.B. Impulse), mittels der Eingangsschnittstelle, z.B. eines Faserkopplers, in eine Faser eingekoppelt. Das optische Eingangssignal wird einer von der Abtastrichtung abhängigen Verzögerung unterzogen. Das optische Eingangssignal breitet sich zurück zum optischen System, d.h. zum LiDAR-System, aus, wobei die Signalform und die -phase erhalten bleiben. Alle Verzögerungen sind unabhängig von der Art des optischen Eingangssignals und daher mit kohärenten optischen Systemen, wie etwa FMCW-LiDAR-Systemen, kompatibel.
Das vom LiDAR-System ausgegebene optische Eingangssignal, bei dem es sich um einen Laserstrahl mit sehr geringer Divergenz handeln kann, tastet sequentiell einen Bereich von Raumwinkeln ab. Zu Analysezwecken wird das optische Eingangssignal mit Hilfe eines Strahlteilers in zwei Pfade aufgeteilt. Der erste Pfad ist einer Richtungsschätzung mittels eines Positionssensors, und zwar eines optischen Positionssensors, oder einer Linse und/oder eines Spiegels zur Refokussierung des optischen Eingangssignals auf einen positionsempfindlichen Fotodetektor zugeordnet. Der zweite Pfad ist ähnlich fokussiert, aber das optische Eingangssignal wird mit Hilfe der Eingangsschnittstelle in eine Faser eingekoppelt. Um die Fasereinkopplung zu vereinfachen, kann, da z.B. die Achsenausrichtung und die Divergenzanpassung bei Monomode-Fasern schwierig ist, ein Diffusor vorgesehen sein, der einen Teilstrahl gewährleistet, der der erforderlichen Ausrichtung entspricht.
Nachdem das optische Eingangssignal mittels der Eingangsschnittstelle in die Faser eingekoppelt wurde, wird das optische Eingangssignal mittels des ersten optischen Modulators frequenzverschoben. Bei weiteren Ausführungen kann ein Mach-Zehnder-Modulator eingesetzt werden, um das optische Eingangssignal in den Frequenzbereich einer bestimmten Position eines fest zugeordneten frequenzselektiven Reflektors, z.B. eines fest zugeordneten Reflektors auf der Verzögerungsleitung, zu verschieben. Bei schneller Frequenzumschaltung erfährt jeder vom optischen System abgetastete Raumwinkel die gewünschte Verzögerung, derart, dass ein Verzögerungssignal bzw. ein verzögertes Antwortsignal geliefert wird.
Außerdem lässt sich durch die Steuerung der Signalstärke das emulierte Reflexionsvermögen des Ziels modulieren. Eine Emulation des Dopplereffekts ist über Frequenzversätze durchführbar. Da vom Steuermodul gelieferte elektronische Signale alle Modulationen ansteuern, sind schnelle Verzögerungsänderungen während der LiDAR-Abtastung erzielbar. So können die geprüften optischen Systeme eine variable Szenerie in Echtzeit erfahren, was auch Auflösungsschätzungen in Azimut und Elevation ermöglicht.
Das verzögerte Antwortsignal wird erneut an das zu prüfende optische System gesendet. Ein Amplitudenmodifikator, wie etwa ein Verstärker, kann die Signalleistung unabhängig vom emulierten Ziel anpassen, um einen etwaigen Einfügungsverlust des Systems auszugleichen. Die erneute Übertragung wird mit einem auf einem Faserkoppler beruhenden Übergang zur Freiraumausbreitung erreicht. Zu diesem Zweck kann der gleiche Koppler, der für die Erfassung eingesetzt wird, erneut verwendet werden, wenn das erneut gesendete Signal mit einem optischen Zirkulator an den Eingangspfad gekoppelt wird. Mit anderen Worten, die Eingangsschnittstelle und die Ausgangsschnittstelle können durch dasselbe Bauteil gebildet sein, und zwar durch denselben einem Zirkulator zugeordneten Faserkoppler.
Der Diffusor vor dem Faserkoppler gewährleistet einen genau in die Einfallsrichtung gerichteten Teilstrahl. Das zu prüfende optische System erfasst das Ausgangssignal und detektiert das emulierte Ziel dementsprechend.
Ferner ist eine zusätzliche optische Frequenzumsetzung wünschenswert, z.B. zum Prüfen optischer Systeme mit einer anderen Wellenlänge als der des Zielsimulators.
Mit diesem Ansatz kann z.B. ein 905 nm-LiDAR mit einem 1550 nm-Zielsimulator geprüft werden. Zusätzliche Vorteile sind u.a. der Ausgleich von Temperaturdriften, die zu erheblichen Wellenlängenverschiebungen führen können. Für die Implementierung können z.B. Kristalle aus periodisch gepoltem Lithiumniobat (PPLN-Kristalle) (engl. periodically-poled lithium niobate crystals) zum Einsatz kommen, um eine Differenzfrequenzerzeugung (engl. difference frequency generation (DFG)) mit einem Eingangssignal von 905 nm und einer Pumpe bei 572 nm durchzuführen, was ein Ausgangssignal von 1550 nm ergibt. Mit der gleichen Pumpe ist eine umgekehrte Umsetzung machbar, die ein Ausgangssignal von 905 nm ergibt.
Figurenliste
Die vorstehenden Aspekte und viele der damit einhergehenden Vorteile des beanspruchten Gegenstands lassen sich leichter erkennen, wenn sie anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich werden; darin zeigen:

- 1 schematisch ein System zur Schaffung einer einstellbaren Verzögerung in einem optischen Signal gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 schematisch ein System zur Schaffung einer einstellbaren Verzögerung in einem optischen Signal gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 3 schematisch ein System zur Schaffung einer einstellbaren Verzögerung in einem optischen Signal gemäß einer dritten Ausführungsform,
- 4 schematisch ein System zur Schaffung einer einstellbaren Verzögerung in einem optischen Signal gemäß einer vierten Ausführungsform und
- 5 schematisch ein System zur Schaffung einer einstellbaren Verzögerung in einem optischen Signal gemäß einer fünften Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen nachstehend dargelegte ausführliche Beschreibung, in der sich gleiche Ziffern auf gleiche Elemente beziehen, ist als Beschreibung verschiedener Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands gedacht und soll nicht die einzigen Ausführungsformen darstellen. Jede in dieser Offenbarung beschriebene Ausführungsform dient lediglich als Beispiel bzw. zur Veranschaulichung und sollte nicht als gegenüber anderen Ausführungsformen bevorzugt oder vorteilhaft ausgelegt werden. Die hierin gegebenen veranschaulichenden Beispiele sollen nicht erschöpfend sein oder den beanspruchten Gegenstand auf die offenbarten genauen Formen beschränken.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bedeutet beispielsweise die Formulierung „A und/oder B und/oder C“ (A), (B), (C), (A und B), (A und C), (B und C) oder (A, B und C), einschließlich aller weiteren möglichen Permutationen, wenn mehr als drei Elemente aufgeführt sind. Mit anderen Worten, der Begriff „A und/oder B“ bedeutet allgemein „A und/oder B“, also „A“ allein, „B“ allein oder „A und B“.
Darin und im Folgenden soll der Begriff „Modul“ eine geeignete Hardware, eine geeignete Software oder eine Kombination aus Hardware und Software bezeichnen, die so eingerichtet ist, dass sie eine bestimmte Funktionalität aufweist.
Die Hardware kann unter anderem eine Zentraleinheit (CPU), einen Grafikprozessor (GPU), ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder andere Arten von elektronischen Schaltungsanordnungen umfassen.
In 1 ist schematisch ein System 10 zur Schaffung einer einstellbaren Verzögerung in einem optischen Signal gezeigt. Das System 10 steht mit einem optischen System 12, wie z.B. einem LiDAR-System, in Wechselwirkung.
Das optische System 12 weist ein lichtemittierendes Modul 14, das zur Ausgabe eines optischen Signals, z.B. eines Lichtstrahls, eingerichtet ist, sowie ein lichtempfangendes Modul 16 auf, das zum Empfang eines optischen Signals eingerichtet ist. Das lichtemittierende Modul 14 und das lichtempfangende Modul 16 sind in einem Gehäuse des optischen Systems 12 integriert.
Ferner umfasst das System 10 einen LiDAR-Zielsimulator 18, der mit dem optischen System 12 wechselwirkt, um die Kenndaten des optischen Systems 12 auszuwerten, während er ein entsprechendes Zielszenario für das optische System 12 simuliert. Der LiDAR-Zielsimulator 18, z.B. das System 10, umfasst einen Strahlteiler 20, der das vom optischen System 12 ausgegebene optische Signal, z.B. den Lichtstrahl, in einen ersten Teil, der über einen ersten Pfad 22 weitergeleitet wird, und einen zweiten Teil aufteilt, der über einen zweiten Pfad 24 weitergeleitet wird.
Der Zielsimulator 18 umfasst ferner einen Positionssensor 26, der dem ersten Pfad 22 zugeordnet ist, wie in 1 dargestellt.
Der Positionssensor 26 ist so eingerichtet, dass er die Richtung des vom optischen System 12 ausgegebenen Signals feststellt. Zu diesem Zweck kann der Positionssensor 26 einem Schirm so zugeordnet sein, dass Informationen über das Auftreffen des vom optischen System 12 ausgegebenen Signals auf dem Schirm von dem Positionssensor 26 gewonnen werden können. Allgemein ist der Positionssensor 26 so eingerichtet, dass er die Stelle des auftreffenden Lichts ermittelt, das von dem optischen System 12 abgegeben wird und auf dem Schirm bzw. dem Strahlteiler 20 auftreffen kann. Der Schirm kann nämlich teilweise transparent sein, wodurch der Strahlteiler 20 entsteht.
Ferner ist der Positionssensor 26 mit einem Steuer- und/oder Analysemodul 28 verbunden, das ein Modul zur Verarbeitung digitaler Signale aufweist, um die empfangenen Informationen, z.B. die vom Positionssensor 26 bereitgestellten Informationen, zu verarbeiten. Somit leitet der Positionssensor 26 Informationen über die jeweilige Stelle an das Steuer- und/oder Analysemodul 28 zur weiteren Verarbeitung weiter. Somit bildet der Positionssensor 26 (zusammen mit dem Steuer- und/oder Analysemodul 28) das Signal des optischen Systems 12 auf eine komplexe Szene mit unterschiedlichen Entfernungen an unterschiedlichen Positionen ab.
Darüber hinaus weist der Zielsimulator 18 ein Antworterzeugungsmodul 30 auf, das ebenfalls in signalübertragender Weise mit dem Steuer- und/oder Analysemodul 28 verbunden ist. Das Antworterzeugungsmodul 30 dient der Lieferung der verzögerten Antwort.
Das System 10 umfasst eine Eingangsschnittstelle 32 zum Empfangen eines optischen Eingangssignals, das vom optischen System 12 geliefert wird, nämlich des vom optischen System 12 ausgegebenen Signals. Die Eingangsschnittstelle 32 befindet sich hinter einer Optik 33, insbesondere einer Fokussieroptik und/oder einem Diffusor. Die Fokussieroptik bündelt den Strahl auf den Diffusor, der das Licht streut.
Die Eingangsschnittstelle 32 ist durch einen Faserkoppler hergestellt, der unmittelbar mit einer Faser verbunden ist. Das optische Signal wird in die entsprechende Faser eingekoppelt. Das gestreute Licht wird also mittels des Faserkopplers in die optische Faser eingekoppelt.
Das vom optischen System 12 ausgegebene Signal, bei dem es sich um einen Laserstrahl mit sehr geringer Divergenz handelt, tastet sequentiell einen Bereich ab, der auch als Sichtfeld des optischen Systems 12, nämlich des LiDAR-Systems, bezeichnet wird. Das ausgegebene Signal wird mittels des Strahlteilers 20, z.B. des teilweise transparenten Schirms, in die beiden Pfade 22, 24 aufgeteilt.
Der erste Pfad 22 dient zur Ermittlung/Abschätzung der Richtung des vom optischen System 12 ausgegebenen Signals, da der erste Pfad 22 dem Positionssensor 26 zugeordnet ist. Der zweite Pfad 24 wird mittels der Optik 33 in ähnlicher Weise fokussiert, aber der geteilte Strahl wird mittels der Eingangsschnittstelle 32, die durch den Faserkoppler gebildet ist, in die Faser eingekoppelt. Die Optik 33 umfasst einen Diffusor, der zur Vereinfachung der Faserkopplung, also der Achsenausrichtung und der Divergenzanpassung, beiträgt und dadurch sicherstellt, dass der Teilstrahl der erforderlichen Ausrichtung entspricht.
In der Faser ist ein erster Zirkulator 34 vorgesehen, der das optische Eingangssignal entsprechend verarbeitet, derart, dass das optische Eingangssignal an einen ersten optischen Modulator 36 weitergeleitet wird, der durch einen Mach-Zehnder-Modulator (MZM) ausgeführt ist.
Der erste optische Modulator 36 ist so mit dem Steuer- und/oder Analysemodul 28 verbunden, dass der erste optische Modulator 36 vom Steuer- und/oder Analysemodul 28 gesteuert wird.
Das Steuer- und/oder Analysemodul 28 stellt daher den ersten optischen Modulator 36 so ein, dass der optische Modulator 36 abhängig von einer Einstellung des ersten optischen Modulators 36, die vom Steuer- und/oder Analysemodul 28 in geeigneter Weise eingestellt wird, insbesondere abhängig von einem angewendeten Zielszenario, eine bestimmte Frequenzverschiebung einbringt.
Allgemein umfasst das Steuer- und/oder Analysemodul 28 einen Signalgenerator, der ein Steuersignal bereitstellt. Das Steuersignal wird an den ersten optischen Modulator 36 weitergeleitet, um sicherzustellen, dass die Frequenz des optischen Eingangssignals mittels des ersten optischen Modulators 36 geeignet verschoben wird.
Das optische Eingangssignal, nämlich das LiDAR-Signal, wird somit mit Hilfe des ersten optischen Modulators 36 frequenzverschoben. Der erste optische Modulator 36 erzeugt ein moduliertes optisches Signal, das an einen zweiten Zirkulator 38 weitergeleitet wird.
Der zweite Zirkulator 38 verarbeitet das modulierte optische Signal so, dass es an eine Faser 40 weitergeleitet wird, die wenigstens zwei frequenzselektive Reflektoren 42, insbesondere mehrere frequenzselektive Reflektoren 42, aufweist. Die frequenzselektiven Reflektoren 42 können durch Faser-Bragg-Gitter (FBGs) ausgebildet sein.
Die Faser 40 hat beispielsweise eine Länge von 100 m, so dass mehrere verschiedene frequenzselektive Reflektoren 42, und zwar Faser-Bragg-Gitter (FBGs), in der Faser 40 vorgesehen sind. Normalerweise entspricht die Faserlänge einer maximalen Zielentfernung, die simuliert werden kann, z.B. einer maximalen Zielsimulationsentfernung.
Je nach der mittels des ersten optischen Modulators 36 eingebrachten Frequenzverschiebung wird das modulierte optische Signal von einem fest zugeordneten frequenzselektiven Reflektor 42 der mehreren frequenzselektiven Reflektoren 42, der sich in einer fest zugeordneten Entfernung in der Faser 40 befindet, reflektiert, wodurch eine bestimmte Verzögerung in das in Verarbeitung befindliche optische Signal eingebracht wird.
Folglich wird das empfangene optische Eingangssignal des optischen Systems 12 mittels des ersten optischen Modulators 36 auf eine Frequenz moduliert, die der Betriebsfrequenz eines fest zugeordneten frequenzselektiven Reflektors, nämlich eines bestimmten Faser-Bragg-Gitters (FBG), entspricht.
Das modulierte optische Signal wurde in eine lange Faser mit den frequenzselektiven Reflektoren, nämlich den Faser-Bragg-Gittern (FBGs), in bestimmten Abständen geleitet. Das modulierte optische Signal wird an dem frequenzselektiven Reflektor, nämlich dem fest zugeordneten FBG, reflektiert, der der zu simulierenden Entfernung des jeweiligen Ziels entspricht, z.B. in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz.
Üblicherweise liefern die frequenzselektiven Reflektoren 42 je nach der jeweiligen Frequenz des empfangenen optischen Eingangssignals ein reflektiertes Signal.
Das reflektierte Signal wird an den zweiten Zirkulator 38 weitergeleitet bzw. zurückreflektiert, der das reflektierte Signal in eine Ausgangsfaser 44 weiterleitet.
In der Ausgangsfaser 44 ist ein zweiter optischer Modulator 46 vorgesehen, der ebenfalls mittels des Steuer- und/oder Analysemoduls 28 gesteuert wird.
Der zweite optische Modulator 46 verschiebt ebenfalls die Frequenz des reflektierten Signals in Abhängigkeit von einer Steuerung des Steuer- und/oder Analysemoduls 28, wodurch eine gewünschte Antwortfrequenz des vom System 10, z.B. dem Zielsimulator 18, gelieferten Antwortsignals eingestellt wird.
Des Weiteren kann mittels des zweiten optischen Modulators 46 eine Doppler-Verschiebung bezüglich des von dem optischen System 12, d.h. dem LiDAR-System, gelieferten optischen Eingangssignals eingebracht werden.
Dementsprechend wird das verzögerte Signal an den zweiten optischen Modulator 46 weitergegeben, der die vom ersten optischen Modulator 36 eingebrachte Frequenzmodulation entfernen kann, so dass die ursprüngliche Frequenz (und optional eine beabsichtigte Doppler-Verschiebung) zurückbleibt.
Außerdem ist in der Ausgangsfaser 44 ein Amplitudenmodifikator 48 vorgesehen, derart, dass die Amplitude des reflektierten Signals, nämlich des vom zweiten optischen Modulator 46 ausgegebenen, modulierten reflektierten Signals eingestellt werden kann. Das Steuer- und/oder Analysemodul 28 steuert auch den Amplitudenmodifikator 48 entsprechend.
Allgemein kann ein bestimmtes Zielszenario angewendet werden, das sich auf eine Entfernung, eine Amplitude sowie eine Frequenzverschiebung des reflektierten Signals bezieht. Die jeweiligen Komponenten des Systems 10, nämlich die optischen Modulatoren 36, 46 sowie der Amplitudenmodifikator 48, werden vom Steuer- und/oder Analysemodul 28 gesteuert bzw. angesteuert.
Das modifizierte reflektierte Signal, nämlich das in Frequenz und Amplitude modifizierte reflektierte Signal, wird zum ersten Zirkulator 34 weitergeleitet, der das modifizierte reflektierte Signal zu einer Ausgangsschnittstelle 50 weiterleitet. Die Ausgangsschnittstelle 50 kann auch von einem Faserkoppler gebildet sein, insbesondere dem Faserkoppler, der bereits die Eingangsschnittstelle 32 bildet.
Der erste Zirkulator 34 und der zweite Zirkulator 38 entsprechen nämlich den Anschlüssen der Ausgangsfaser 44.
Über die Ausgangsschnittstelle 50 wird das reflektierte Signal, nämlich die Antwort mit der eingebrachten Verzögerung und/oder der gewünschten Frequenz und/oder der gewünschten Amplitude, über die Optik 33 zum optischen System 12 weitergeleitet.
Das modulierte reflektierte Signal wird also verstärkt und an das optische System 12 zurückgesendet, wo es als Ziel in einer bestimmten Entfernung gesehen wird.
Dementsprechend gibt das optische System 12 das vom System 10 empfangene optische Signal aus, nämlich das ausgestrahlte Signal des LiDAR, das ein Laserstrahl mit sehr geringer Divergenz ist. Der Positionssensor 26 erfasst den Ort und/oder die Richtung des ausgegebenen Signals, wobei die jeweiligen vom Positionssensor 26 bereitgestellten Informationen vom Steuer- und/oder Analysemodul 28 verarbeitet werden, um das System 10 in geeigneter Weise zu steuern, wodurch sichergestellt wird, dass das System 10 je nach den vom Positionssensor 26 empfangenen Informationen eine Antwort an das optische System 12 ausgibt.
Neben der Erfassung mittels des Positionssensors 26 wird das vom optischen System 12 ausgegebene Signal auch mittels der Eingangsschnittstelle 32 in eine Faser eingekoppelt.
Nach der Kopplung an die Faser wird das optische Eingangssignal mit Hilfe des ersten optischen Modulators 36 frequenzverschoben. Bei weiteren Ausführungen des ersten optischen Modulators 36 kann ein Mach-Zehnder-Modulator (MZM) eingesetzt werden, um das Signal in den Frequenzbereich eines bestimmten frequenzselektiven Reflektors, z.B. eines FBG, innerhalb der Verzögerungsleitung zu verschieben. Bei schneller Frequenzumschaltung erfährt jeder vom optischen System 12 abgetastete Winkel die gewünschte Verzögerung.
Außerdem kann durch die Steuerung der Signalstärke das emulierte Reflexionsvermögen des Ziels moduliert werden. Darüber hinaus ist die Emulation des Dopplereffekts über Frequenzversätze machbar. Da alle Modulationen durch elektronische Signale angesteuert werden, sind schnelle Verzögerungsänderungen während des Abtastens erzielbar. Somit kann das getestete optische System 12 variable Szenerien in Echtzeit erfahren, was auch Auflösungsschätzungen in Azimut und Elevation ermöglicht.
Das verzögerte Signal, nämlich das Antwort- bzw. reflektierte Signal, wird über die Ausgangsschnittstelle 50 an das abfragende optische System 12 zurückgesendet.
In der Ausgangsfaser 44 kann der Amplitudenmodifikator 48, z.B. der zusätzliche optische Verstärker, die Signalleistung unabhängig vom Ziel steigern, um Einfügungsverluste des Systems 10 auszugleichen.
In der Regel wird die Rückübertragung mit einem auf einem Faserkoppler beruhenden Übergang zur Freiraumausbreitung erreicht. Zu diesem Zweck kann der gleiche Faserkoppler, der für die Erfassung eingesetzt wird, wieder verwendet werden, wenn das rückübertragene Signal mittels des ersten optischen Zirkulators 34 in den Eingangspfad gekoppelt wird.
Der Diffusor vor dem Faserkoppler, nämlich die Schnittstellen 32, 50, gewährleistet einen genau in die Einfallsrichtung gerichteten Teilstrahl. Das abfragende optische System 12 erfasst dieses Signal und erkennt das emulierte Ziel aufgrund der entsprechenden Eigenschaften des verzögerten Signals bzw. des reflektierten Signals.
Folglich ist keine Signalabtastung erforderlich.
In 2 ist eine zweite Ausführungsform des Systems 10 gezeigt, die sich von der in 1 gezeigten einen Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die Verzögerung durch Faserverzögerungsleitungen 52 unterschiedlicher Längen eingebracht wird.
Folglich werden die von den verschiedenen Faserverzögerungsleitungen 52 verarbeiteten optischen Signale aufgrund deren unterschiedlicher Länge unterschiedlich verzögert.
Das System 10 umfasst wenigstens einen optischen Schalter 54, der der Eingangsschnittstelle 32 zugeordnet ist. Der optische Schalter 54 wird von dem Steuer- und/oder Analysemodul 28 so gesteuert, dass eine fest zugeordnete Faserverzögerungsleitung 52 der wenigstens zwei verschiedenen Faserverzögerungsleitungen 52 für die Verarbeitung des optischen Eingangssignals ausgewählt wird, um die dem angewendeten Zielszenario zugeordnete gewünschte Verzögerung einzubringen.
Die vom optischen Schalter 54 abgewandten Enden der Faserverzögerungsleitungen 52 sind mit einem weiteren optischen Schalter 56, z.B. einem zweiten optischen Schalter, verbunden, der das verzögerte optische Signal in die Ausgangsfaser 44 zurückleitet, die den Amplitudenmodifikator 48 umfasst, wie oben erörtert. Der weitere optische Schalter 56 kann ebenfalls vom Steuer- und/oder Analysemodul 28 gesteuert sein.
Bei dem optischen Schalter 54 und den Verzögerungsleitungen 52 handelt es sich um binäre Kaskaden.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, die einer Kombination aus den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen entspricht.
Demnach beruht die in 3 gezeigte Ausführungsform auf der in 1 gezeigten Ausführungsform, wobei der zweite Zirkulator 38 nicht direkt mit der Faser 40 verbunden ist, sondern mit dem ersten Schalter 54, der den zweiten Zirkulator 38 mit wenigstens zwei verschiedenen Fasern 40, z.B. Faserverzögerungsleitungen 52, verbindet, die jeweils in ähnlicher Weise wie die in 1 gezeigte Faser 40 aufgebaut sind.
Die in 3 gezeigten Fasern 40 bzw. Faserverzögerungsleitungen 52 umfassen also jeweils frequenzselektive Reflektoren 42, und zwar Faser-Bragg-Gitter (FBGs) an unterschiedlichen Stellen.
Daher sind eine Grob- und eine Feineinstellung der vom System 10 eingebrachten Verzögerung sichergestellt.
Die durch den ersten optischen Modulator 36 eingeführte Frequenzverschiebung und die Einstellung des ersten optischen Schalters 54, der eine der verschiedenen Fasern 40 bzw. Faserverzögerungsleitungen 52 mit dem zweiten Zirkulator 38 verbindet, sorgen für die zweistufige Verzögerungseinstellung, nämlich die Grobeinstellung und die Feineinstellung.
Dementsprechend erfolgt die Signalverzögerung rein im optischen Bereich.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform des Systems 10 gezeigt, die ebenfalls Verzögerungsleitungen 52 mit unterschiedlichen Längen umfasst, wie mit „L“, „2L“ und „4L“ angegeben. Die Verzögerungsleitungen 52 sind jedoch kaskadiert geschaltet. Daher bilden die mehreren Verzögerungsleitungen 52 zusammen ein kaskadiertes Verzögerungsleitungssystem.
Daher sind mehrere optische Schalter 54, 56, 58, 60 vorgesehen, wobei jeder optische Schalter 54 - 60 mit wenigstens einer der Verzögerungsleitungen 52 verbunden ist.
Allgemein sind N Verzögerungsleitungen und N+1 optische Schalter vorgesehen, da zwei aufeinanderfolgende Verzögerungsleitungen 52 mit einem jeweiligen Schalter zusammengeschaltet sind. Darüber hinaus ist ein Schalter 54 dem Anfang des Systems kaskadierter Verzögerungsleitungen zugeordnet, und ein Schalter 60 ist dem Ende des Systems kaskadierter Verzögerungsleitungen zugeordnet.
Die optischen Schalter 54 - 60 haben jeweils zwei Schaltzustände und bilden dadurch eine geschaltete binäre Kaskade, da jeder optische Schalter 54 - 60 direkt mit einem anderen Schalter 54 - 60 bzw. einer der Verzögerungsleitungen 52 verbunden sein kann.
Je nach Einstellungen der optischen Schalter 54 - 60 der geschalteten binären Kaskade kann die eingebrachte Verzögerung stufenweise variiert werden. Das Steuer- und/oder Analysemodul 28 kann die jeweiligen optischen Schalter 54 - 60 entsprechend steuern und dadurch sicherstellen, dass eine bestimmte Verzögerung eingebracht wird.
Bei der gezeigten Ausführungsform kann eine Verzögerung eingebracht werden, die einer Verzögerungslänge zwischen „0L“ und „7L“ zugeordnet sein kann, wobei die Stufengröße „1 L“ vorgesehen ist. „L“ bezieht sich generell auf eine definierte Länge der Verzögerungsleitungen 52.
Somit können von dem in 4 gezeigten System 10 je nach den Einstellungen der optischen Schalter 54 - 60 acht verschiedene Verzögerungen eingeführt werden.
Wie oben erwähnt, sind drei Verzögerungsleitungen 52 vorgesehen, so dass sich 2³, also acht, verschiedene Verzögerungen ergeben, die eingebracht werden können.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform des Systems 10 gezeigt, bei der die Verzögerungsleitungen 52 unterschiedlicher Länge mit den wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren 42 kombiniert sind.
Es sind nämlich eine Grobverzögerungseinstelleinheit 62 und eine Feinverzögerungseinstelleinheit 64 vorgesehen, die in Reihe geschaltet sind.
Die Grobverzögerungseinstelleinheit 62 umfasst die wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren 42, z.B. die Faser 40 mit den wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren 42, insbesondere mehreren frequenzselektiven Reflektoren 42.
Die Feinverzögerungseinstelleinheit 64 umfasst die Verzögerungsleitungen 52 unterschiedlicher Längen und die optischen Schalter 54, 56, die vom Steuer- und/oder Analysemodul 28 so gesteuert werden, dass je nach den jeweiligen Einstellungen der optischen Schalter 54, 56 unterschiedliche Längen eingestellt werden können.
Bestimmte hierin offenbarte Ausführungsformen, insbesondere das/die jeweilige(n) Modul(e), verwenden eine Schaltungsanordnung (z.B. eine oder mehrere Schaltungen), um hierin offenbarte Normen, Protokolle, Methodiken oder Technologien umzusetzen, zwei oder mehr Komponenten wirkungsmäßig zu verbinden, Informationen zu erzeugen, Informationen zu verarbeiten, Informationen zu analysieren, Signale zu erzeugen, Signale zu codieren/decodieren, Signale umzuwandeln, Signale zu senden und/oder zu empfangen, andere Vorrichtungen zu steuern, usw. Es können Schaltungsanordnungen jeder beliebigen Art verwendet werden.
Bei einer Ausführungsform weist eine Schaltungsanordnung unter anderem ein oder mehrere Rechengeräte wie etwa einen Prozessor (z.B. einen Mikroprozessor), eine Zentraleinheit (CPU), einen Digitalsignalprozessor (DSP), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA), ein System auf einem Chip (SoC) oder dergleichen oder beliebige Kombinationen daraus auf und kann diskrete digitale oder analoge Schaltungselemente oder Elektronik oder Kombinationen daraus aufweisen. Bei einer Ausführungsform weist eine Schaltungsanordnung Hardware-Schaltungsimplementierungen auf (z.B. Implementierungen in analogen Schaltungsanordnungen, Implementierungen in digitalen Schaltungsanordnungen und dergleichen, sowie Kombinationen daraus).
Bei einer Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung Kombinationen aus Schaltungen und Computerprogrammprodukten mit Software- oder Firmware-Anweisungen auf, die auf einem oder mehreren computerlesbaren Speichern gespeichert sind und zusammenwirken, um zu bewirken, dass ein Gerät ein oder mehrere hierin beschriebene Protokolle, Methodiken oder Technologien ausführt. Bei einer Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung Schaltkreise auf, wie zum Beispiel Mikroprozessoren oder Teile eines Mikroprozessors, die für den Betrieb Software, Firmware und dergleichen benötigen. Bei einer Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung einen oder mehrere Prozessoren oder Teile davon und zugehörige Software, Firmware, Hardware und dergleichen auf.
In der vorliegenden Anmeldung kann auf Mengen und Anzahlen hingewiesen werden. Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind solche Mengen und Anzahlen nicht als einschränkend, sondern als beispielhaft für die möglichen Mengen bzw. Anzahlen im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung anzusehen. In dieser Hinsicht kann in der vorliegenden Anmeldung zudem der Begriff „mehrere“ verwendet werden, um eine Menge oder eine Anzahl zu bezeichnen. Diesbezüglich ist mit dem Begriff „mehrere“ eine beliebige Anzahl gemeint, die größer als eins ist, zum Beispiel zwei, drei, vier, fünf, usw. Die Begriffe „etwa“, „ungefähr“, „nahe“ usw. bedeuten plus oder minus 5% des angegebenen Wertes.

Claims

System zur Schaffung einer einstellbaren Verzögerung in einem optischen Signal zur Lieferung einer Antwort an ein optisches System, wobei das System Folgendes umfasst: - eine Eingangsschnittstelle zum Empfangen eines optischen Eingangssignals, - einen ersten optischen Modulator, der der Eingangsschnittstelle zugeordnet ist, wobei der erste optische Modulator die Frequenz des empfangenen optischen Eingangssignals abhängig von einer Einstellung des ersten optischen Modulators verschiebt, wodurch ein moduliertes optisches Signal erzeugt wird, - wenigstens zwei frequenzselektive Reflektoren, wobei die wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren so eingerichtet sind, dass sie das modulierte optische Signal reflektieren und dadurch ein reflektiertes Signal liefern, - ein Steuermodul, das mit dem ersten optischen Modulator verbunden ist, wobei das Steuermodul dazu eingerichtet ist, die Einstellung des ersten optischen Modulators so anzupassen, dass eine vom ersten optischen Modulator eingebrachte Frequenzverschiebung des optischen Eingangssignals mittels des Steuermoduls eingestellt wird, wobei die vom ersten optischen Modulator eingebrachte Frequenzverschiebung einer Betriebsfrequenz eines der wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren entspricht, die der Einstellung des ersten optischen Modulators zugeordnet sind, und - eine Ausgangsfaser, die den wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren zugeordnet ist, wobei die Ausgangsfaser das reflektierte Signal von dem entsprechenden frequenzselektiven Reflektor empfängt.
System nach Anspruch 1, bei dem das Steuermodul ferner so eingerichtet ist, dass es den ersten optischen Modulator anhand einer Entfernung eines zu emulierenden Ziels steuert, und bei dem die Entfernung des zu emulierenden Ziels von einem Benutzer je nach einem angewendeten Zielszenario eingestellt wird.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das System eine der Ausgangsfaser zugeordnete Ausgangsschnittstelle umfasst, wobei die Ausgangsschnittstelle das reflektierte Signal empfängt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System einen zweiten optischen Modulator umfasst, der der Ausgangsfaser zugeordnet ist, insbesondere wobei das Steuermodul so mit dem zweiten optischen Modulator verbunden ist, dass eine vom zweiten optischen Modulator eingebrachte Frequenzverschiebung des reflektierten Signals mittels des Steuermoduls eingestellt wird.
System nach Anspruch 4, wobei der zweite optische Modulator so eingerichtet ist, dass er die Frequenz des reflektierten Signals auf eine gewünschte Antwortfrequenz verschiebt.
System nach Anspruch 4 oder 5, wobei der zweite optische Modulator so eingerichtet ist, dass er bezüglich des optischen Eingangssignals eine Doppler-Verschiebung des reflektierten Signals liefert.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuermodul einen Signalgenerator umfasst, der ein Steuersignal ausgibt, das zur Steuerung des optischen Modulators verwendet wird.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens zwei frequenzselektiven Reflektoren einer Faser zugeordnet sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System einen Positionssensor umfasst, der so eingerichtet ist, dass er die Richtung des optischen Eingangssignals feststellt, und/oder wobei das System einen Amplitudenmodifikator umfasst, der der Ausgangsfaser zugeordnet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System einen ersten Zirkulator und einen zweiten Zirkulator umfasst, die Anschlüsse der Ausgangsfaser bilden, insbesondere wobei der erste optische Modulator zwischen dem ersten Zirkulator und dem zweiten Zirkulator gelegen ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System wenigstens einen Richtungskoppler umfasst, der der Ausgangsfaser zugeordnet ist, und/oder wobei das System wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen unterschiedlicher Länge umfasst, die der Eingangsschnittstelle zugeordnet sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System wenigstens einen der Eingangsschnittstelle zugeordneten optischen Schalter umfasst, insbesondere wobei das Steuermodul mit dem wenigstens einen optischen Schalter verbunden ist, wobei das Steuermodul so eingerichtet ist, dass es die Einstellung des optischen Schalters anpasst.
System nach Anspruch 12, wobei das System wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen unterschiedlicher Länge umfasst, die der Eingangsschnittstelle zugeordnet sind, wobei der wenigstens eine optische Schalter den wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen zugeordnet ist, wobei der wenigstens eine optische Schalter so eingerichtet ist, dass er das an der Eingangsschnittstelle empfangene optische Eingangssignal je nach einer Einstellung des optischen Schalters auf wenigstens eine der wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen leitet.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische System ein LiDAR-System ist und wobei das System ein LiDAR-Zielsimulator ist, der dazu eingerichtet ist, ein Ziel für das LiDAR-System zu simulieren.
System zur Schaffung einer einstellbaren Verzögerung in einem optischen Signal zur Lieferung einer Antwort an ein optisches System, wobei das System Folgendes umfasst: - eine Eingangsschnittstelle zum Empfangen eines optischen Eingangssignals, - wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen unterschiedlicher Länge, die der Eingangsschnittstelle zugeordnet sind, - wenigstens einen optischen Schalter, der der Eingangsschnittstelle und den wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen zugeordnet ist, wobei der wenigstens eine optische Schalter so eingerichtet ist, dass er das an der Eingangsschnittstelle empfangene optische Eingangssignal abhängig von einer Einstellung des optischen Schalters auf wenigstens eine der wenigstens zwei Faserverzögerungsleitungen leitet, und - ein Steuermodul, das mit dem wenigstens einen optischen Schalter verbunden ist, wobei das Steuermodul so eingerichtet ist, dass es die Einstellung des optischen Schalters anpasst.