DE112017001873T5

DE112017001873T5 - System und Verfahren für Tiefenerfassung

Info

Publication number: DE112017001873T5
Application number: DE112017001873.0T
Authority: DE
Inventors: David Ben-Bassat
Original assignee: Oryx Vision Ltd
Current assignee: ORYX VISION LTD., IL
Priority date: 2016-04-06
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2019-02-28
Also published as: WO2017175211A1; US20190049565A1

Abstract

Ein System für Laufzeitmessungen und ein Verfahren zur Verwendung desselben werden bereitgestellt. Das System umfasst eine elektromagnetische Leistungsquelle zur Ausgabe eines kohärenten fokussierten Strahls mit Frequenzmodulation. Das System weist ferner eine optische Anordnung mit einem optischen Sendeelement, das ausgebildet ist, den kohärenten fokussierten Strahl in einen Signalstrahl und einen Referenzstrahl aufzuteilen, und einen optischen Empfänger auf, der ausgebildet ist, den Referenzstrahl mit einem Strahl, der von einem durch den Signalstrahl beleuchteten Objekt reflektiert wird, zu einem kombinierten optischen Strahl zu vereinigen. Das System umfasst ferner eine Antenne zur Umwandlung des kombinierten Strahls in einen elektrischen Strom, und einen Prozessor zum Ableiten von Laufzeitinformation aus dem elektrischen Strom.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Erfassung der Tiefe eines Feldes und betrifft insbesondere ein Laufzeit- (ToF-) System zur Bestimmung einer Entfernung und einer Geschwindigkeit eines Objekts, das in der Nähe eines Fahrzeugs vorhanden ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Digitalkameras mit Tiefenerfassung sind im Stand der Technik gut bekannt und werden für diverse Anwendungen, etwa Spiele (beispielsweise Microsoft Kinect), Roboternavigation, 3D-Bildgebung, Kartenerzeugung und dergleichen, verwendet.
Tiefen erfassende Kameras werden auch zusammen mit zusätzlichen Sensoren (beispielsweise Radarsensoren, 2D-Kameras und Ultraschallsensoren) in „Sensorkombinations-“ Lösungen verwendet, etwa in dem Erweiterten Fahrerassistenzsystem (ADAS), das einen Fahrer mit Echtzeitdaten in Bezug auf die Umgebung (Szene), die ein Fahrzeug umgibt (1), versorgt.
Obwohl Tiefen erfassende Kameras wesentlich sind für Sensorkombinationslösungen, führen die Anforderungen im Fahrzeugbereich zu diversen Herausforderungen in gegenwärtig eingesetzten Techniken zur Tiefenerfassung.
Erweiterte Fahrerassistenzsysteme verwenden Tiefen erfassende Techniken, die auf Licht-Radar (LIDAR) oder Laufzeit- (ToF-) Ansätzen beruhen.
LIDAR ist ein abtastendes Radarsystem, das eine Infrarot- (IR-) Lichtquelle benutzt, die im gepulsten Modus arbeitet, und ferner ein Erfassungselement zum Erfassen des Pulses verwendet, der von einem Objekt reflektiert wird. Durch Messung der Zeitdifferenz zwischen dem gesendeten Puls und dem empfangenen Puls kann eine Entfernung berechnet werden. In den meisten Fällen tastet eine einzige IR-Quelle (typischerweise ein Laser) die Szene mit einem Puls pro Zeiteinheit ab. Eine hochempfindliche Photodiode, die optisch zu der IR-Quelle ausgerichtet ist, „sammelt“ die reflektierten Signale (eines pro Zeiteinheit), um ein Voxel-„Bild“ zu erzeugen.
Ein Laufzeit- (ToF-) System enthält typischerweise eine optische Beleuchtungseinheit, die die Szene mit modulierten Infrarot- (IR-) Signalen ausleuchtet, und ein Sensor-Array zum Sammeln des aus der Szene reflektierten Lichts. Anders als bei LIDAR wird das reflektierte Licht von ToF-Systemen gleichzeitig durch ein Array aus Sensoren eingefangen, wobei jeder Sensor einen eindeutigen Sektor der Szene abdeckt.
Um einen Fahrer mit einer zuverlässigen Information über die Tiefe des Feldes zu versorgen, müssen Fahrerassistenzsysteme ein Sichtfeld von 360° × 20° bei 150-300 Metern unter gewissen Bedingungen abdecken, etwa direktes Sonnenlicht, Nacht, Regen, Nebel, Schnee und Staub. Des Weiteren sollte die Qualität des gewonnenen Tiefenbilds eine Maschinenerkennung und Segmentierung von wesentlichen Objekten in dem Bild ermöglichen (beispielsweise von Personen, Fahrzeugen, Verkehrszeichen, Bürgersteigen und dergleichen).
Sowohl LIDAR-Systeme als auch ToF-Systeme, die in ADAS verwendet werden, arbeiten mit Frequenzen im Kurzwellen-Infrarot (SWIR) oder im nahen Infrarot (NIR), die für ADAS gewisse Beschränkungen hervorrufen.
Die Bildgebung mit SWIR und NIR wird durch Sonnenlicht sowie durch Sicht ändernde Bedingungen, etwa Staub, Schnee, Regen und Nebel, beeinflusst. Unter derartigen Bedingungen sind SWIR- und NIR-Systeme auf eine kürzere Reichweite und/oder auf eine wenig optimale Tiefennäherung begrenzt.
SWIR-NIR-Systeme enthalten teure Komponenten (insbesondere die Sensoren) und erfordern aufwändige und genaue mechanische Abtastelemente sowie gepulste Laserquellen mit hoher Leistung. Des Weiteren führt die Verwendung von 905-1500 nm-Strahlen zu ernsthaften Einschränkungen in Hinblick auf die Sicherheit der Augen, wodurch eine maximal zulässige Strahlleistung durch die Beleuchtungseinheit erzwungen wird.
Somit besteht ein Bedarf in Hinblick auf ein System mit geringen Kosten, das in das ADAS integrierbar ist, um eine zuverlässige Information über die Tiefe eines Feldes unter allen Umgebungs- und Fahrbedingungen bereitzustellen.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System der Laufzeitmessung bereitgestellt, mit: (a) einer elektromagnetischen Leistungsquelle, die ausgebildet ist, einen kohärenten fokussierten Strahl mit linearer Frequenzmodulation auszugeben; (b) einer optischen Anordnung mit einem optischen Sendeelement, das ausgebildet ist, den kohärenten fokussierten Strahl in einen Signalstrahl und einen Referenzstrahl aufzuteilen und den Signalstrahl auf ein Objekt zu richten, und mit einem optischen Empfänger, der ausgebildet ist, den Referenzstrahl mit einem reflektierten Strahl zu einem vereinigten optischen Strahl zu vereinigen, wobei der reflektierte Strahl ein Strahl ist, der als Folge des Auftreffens des Signalstrahls auf das Objekt zurückkehrt; (c) einer Antenne, die ausgebildet ist, den kombinierten Strahl in einen elektrischen Strom umzuwandeln; und (d) einem Prozessor, der ausgebildet ist, Laufzeitinformation aus dem elektrischen Strom abzuleiten.
Gemäß weiteren Merkmalen in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die nachfolgend beschrieben sind, beinhaltet die Quelle für den kohärenten fokussierten Strahl eine Gasentladungskammer mit einem beweglichen optischen Reflektor.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist der bewegliche optische Reflektor über ein Piezoelement bewegbar.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist der bewegliche optische Reflektor für eine geradlinige Auslenkung von 0,5-5 µm pro Mikrosekunde geeignet.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen liegt die lineare Frequenzmodulation des kohärenten fokussierten Strahls in einem Bereich von 1-10000 Teilen pro Million (PPM) einer Trägerfrequenz.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen wird der kohärente fokussierte Strahl erzeugt durch Überstreichen von +10-100 ppm einer Trägerwelle alle 10-1000 Mikrosekunden.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist das optische Sendeelement derart ausgebildet, dass die Leistung des Signalstrahls, der auf das Objekt gelenkt wird, 10-100 Mal größer ist als diejenige des Referenzstrahls.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist die Antenne mit mindestens einem Metall-Isolator-Metall- (MIM-) Tunnelübergang verbunden.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist der mindestens eine MIM-Tunnelübergang ein Frequenzmultiplizierer oder ein Frequenzmischer.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist der elektrische Strom ein Wechselstrom.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen wird das frequenzmultiplizierte Signal, das von dem MIM-Element bereitgestellt wird, in einen Spannungsbereich (F2V über FFT) umgewandelt, so dass eine Strecke proportional zur Spannung ist.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen leitet der Prozessor die Laufzeitinformation aus dem elektrischen Strom auf der Grundlage einer Zeitdifferenz ab, die zwischen dem Referenzstrahl und dem reflektierten Strahl besteht.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist die Quelle für den kohärenten fokussierten Strahl ein CO- oder CO₂-Laser.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen hat der kohärente optische Strahl eine Leistung von 10 Watt.
Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind das optische Sendeelement und der optische Empfänger optisch so ausgerichtet, dass ein einziges Sichtfeld abgedeckt wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das das hierin beschriebene System aufweist.
Gemäß weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist das System ausgebildet, eine Kollisionswarnangabe bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Messung einer Entfernung und/oder einer Geschwindigkeit eines Objekts bereitgestellt, mit: (a) Aufteilen eines kohärenten fokussierten Strahls mit linearer Frequenzmodulation in einen Signalstrahl und einen Referenzstrahl; (b) Kombinieren des Referenzstrahls mit einem Strahl, der von dem durch den Signalstrahl bestrahlten Objekt reflektiert wird, zu einem kombinierten optischen Strahl; (c) Umwandeln des kombinierten Strahls in einen elektrischen Strom; und (d) Ableiten von Laufzeitinformation aus dem elektrischen Strom.
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt die Nachteile der aktuell bekannten Konfigurationen, indem ein ToF-System bereitstellt wird, das in ein erweitertes Fahrerassistenzsystem eines Fahrzeugs integrierbar ist, so dass eine Objekterkennung und eine -klassifizierung unter allen Umgebungsbedingungen ermöglicht wird.
Sofern nicht anderweitig definiert, haben alle technischen und wissenschaftlichen Begriffe, die hierin verwendet sind, die gleiche Bedeutung, wie sie üblicherweise vom Fachmann auf dem Gebiet, zu welchem diese Erfindung gehört, verstanden wird. Obwohl Verfahren und Materialien, die ähnlich oder gleichwertig zu denjenigen sind, die hierin beschrieben sind, bei der Umsetzung oder beim Überprüfen der vorliegenden Erfindung einsetzbar sind, sind diesbezüglich geeignete Verfahren und Materialien nachfolgend beschrieben. Falls ein Konflikt besteht, sind die Patentbeschreibung, einschließlich der Definitionen, das entscheidende Kriterium. Ferner sind die Materialien, Verfahren und Beispiele nur anschaulich und sollen nicht als Einschränkung betrachtet werden.
Die Implementierung des Verfahrens und Systems der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Ausführen oder das Abschließen ausgewählter Aufgaben oder Schritte manuell, automatisch oder in einer Kombination davon. Ferner können entsprechend der tatsächlichen Gerätebelegung und Ausstattung bevorzugter Ausführungsformen des Verfahrens und des Systems der vorliegenden Erfindung mehrere ausgewählte Schritte durch Hardware oder durch Software oder durch ein beliebiges Betriebssystem einer Firmware oder einer Kombination davon implementiert werden. Beispielsweise könnten als Hardware ausgewählte Schritte der Erfindung als ein Chip oder eine Schaltung implementiert werden. Als Software könnten ausgewählte Schritte der Erfindung als mehrere Softwarebefehle implementiert werden, die von einem Computer unter Anwendung eines geeigneten Betriebssystems ausgeführt werden. In jedem Falle könnten ausgewählte Schritte des Verfahrens und des Systems der Erfindung so beschrieben werden, dass sie durch einem Datenprozessor, etwa eine Rechenplattform für die Ausführung mehrerer Befehle, ausgeführt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird hierin nur beispielhaft beschrieben, wobei auf die begleitenden Zeichnungen verwiesen wird. Mit besonderem Verweis auf die Zeichnungen ist im Detail zu betonen, dass die gezeigten Besonderheiten Beispiele sind und dem Zwecke der Darstellung der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen und dass sie präsentiert werden im Zuge der Bereitstellung dessen, was als die nützlichste und am einfachsten verständliche Beschreibung der Prinzipien und der konzeptionellen Aspekte der Erfindung angenommen wird. Diesbezüglich wird kein Versuch unternommen, strukturelle Details der Erfindung detaillierter aufzuzeigen, als dies für ein grundsätzliches Verständnis der Erfindung erforderlich ist, wobei die Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen für den Fachmann verdeutlicht, wie diverse Formen der Erfindung in der Praxis umgesetzt werden können.
In den Zeichnungen zeigen:

1 ein Bild des Stands der Technik, wobei ein Erweitertes Fahrerassistenzsystem (ADAS) unter Anwendung einer Sensorkombinationstechnik dargestellt ist.
2 eine schematische Darstellung eines Lasers mit beweglichem Reflektor.
3 einen Graph, der eine sägezahnartige Verschiebung eines Laserreflektors (unterer Graph) zeigt, der ein lineares FM-Signal erzeugt, das im Frequenzbereich auf und ab verschoben wird (oberer Graph).
4 schematisch die optische Anordnung, die gemäß einer Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung ausgelegt ist.
5 schematisch eine Ausführungsform des Systems, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgelegt ist.
6 ein Beispiel einer graphischen Ausgabe der Frequenzmultipliziererfunktion, die von dem MIM-Element bereitgestellt wird, das mit der Antenne gekoppelt ist.
7 beispielhaft eine typische Ausleseschaltung für einen einzigen Detektor des Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 beispielhaft eine Ausleseschaltung für ein Detektor-Array des Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung ist ein System zur Tiefenerfassung. Insbesondere kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, eine Szene um ein Fahrzeug herum abzubilden und Objekte in der Fahrrichtung des Fahrzeugs zu erkennen.
Die Prinzipien und die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung können mit Bezugnahme auf die Zeichnungen und begleitenden Beschreibungen besser verstanden werden.
Vor der Erläuterung von Ausführungsformen der Erfindung in detaillierter Weise ist zu beachten, dass die Erfindung nicht in ihrer Anwendung auf die Details des Aufbaus und der Anordnung der Komponenten beschränkt ist, die in der folgenden Beschreibung angegeben oder in den Zeichnungen gezeigt sind. Der Bereich der Erfindung umfasst andere Ausführungsformen oder Ausführungsformen, die auf unterschiedliche Arten praktiziert oder ausgeführt werden. Ferner ist zu beachten, dass die Begriffe und die Terminologie, wie sie hierin verwendet sind, dem Zwecke der Beschreibung dienen und nicht als Beschränkung erachtet werden sollten.
Laufzeit- (Topografie-) Kameras erzeugen ein Tiefenbild, in welchem jedes Pixel eine Entfernung zu einem entsprechenden Punkt in einer Szene (Ziel) codiert, indem die Phasenverzögerung des reflektiertem Infrarot- (IR-) Lichts gemessen wird. Obwohl IR-ToF-Kameras für die Tiefenerfassung unter kontrollierten Umgebungsbedingungen geeignet sind, sind ihre Tiefe des Feldes und die Auflösung für ADAS unter vollem Sonnenlicht oder suboptimalen Sichtbedingungen nicht adäquat.
Bei der Umsetzung der vorliegenden Erfindung hat der Erfinder ein System erdacht, das ToF-Technik einsetzt, um Objekte auch in einer Szene unter vollem Sonnenlicht und suboptimalen Sichtbedingungen abzubilden und zu erkennen, während gleichzeitig bei der Verwendung Sicherheit für die Augen gewährleistet ist.
Das System sendet einen fokussierten kohärenten IR-Strahl zur Beleuchtung einer Szene aus, und das reflektierte Signal wird mit dem gesendeten Signal kreuz-korreliert, so dass ein optimaler Empfänger mit angepasstem Filter erhalten wird. Das kohärente System erlaubt ein wesentlich verbessertes Verbindungsbudget, da der empfangende Kanal optimal auf den sendenden Kanal angepasst ist, was sich wiederum darin ausdrückt, dass ein deutlich verbessertes Leistungsverhalten gegenüber bestehenden Lösungen erreicht wird.
Somit wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein System für Laufzeitmessungen bereitgestellt.
Das System umfasst eine elektromagnetische Leistungsquelle (beispielsweise einen Laser) zur Ausgabe eines kohärenten fokussierten Strahls mit linearer Frequenzmodulation. Wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist, kann ein fokussierter Strahl mit linearer Frequenzmodulation (der Strahl wird im Weiteren als „kontinuierlich frequenzmoduliert“ bezeichnet) erzeugt werden, indem beispielsweise (im zeitlichen Verlauf) ein Abstand zwischen zwei Reflektoren einer Gasentladungskammer eines Lasers geändert wird. Der kohärente fokussierte Strahl kann ein IR-Laserstrahl mit einer Wellenlänge sein, die zwischen 900 und 10000 nm liegt. Beispiele für Lasereinheiten, die für die Verwendung in dem vorliegenden System geeignet sind, schließen mit ein, ohne darauf beschränkt zu sein, CO₂-Laser, CO-Laser, Quantenkaskadenlaser (QCL), oberflächenemittierende Laser (VCSEL).
Das System weist ferner eine optische Anordnung auf, die ein optisches Sendeelement bzw. ein transmittierendes Element zum Aufteilen des kohärenten fokussierten Strahls in einen Signalstrahl (zur Ausleuchtung einer Szene) und einen Referenzstrahl (der zu einem optischen Empfänger zu lenken ist) aufweist. Wie nachfolgend beschrieben ist, kann ein derartiges Aufteilen bei einem Leistungsverhältnis von 1000-1 bis 1-10 (Signal/Referenz) erfolgen.
Das System weist ferner einen optischen Empfänger zum Kombinieren des Referenzstrahls und eines Strahls auf, der von einem durch den Signalstrahl beleuchteten Objekt reflektiert wird.
Die optische Anordnung kann aus einem optischen Kanal aufgebaut werden, der für das Fokussieren der Energie aus der Szene in ein bildgebendes Array vorgesehen ist.
Das System weist ferner eine Antenne (beispielsweise eine Nanoantenne) zur Umwandlung des kombinierten Strahls in ein elektrisches Signal (beispielsweise einen Wechselstrom oder eine Wechselspannung) auf. Eine derartige Antenne kann mit mindestens einem Metall-Isolator-Metall- (MIM-) Tunnelübergang (im Weiteren als MIM-Diode bezeichnet) gekoppelt sein, der als ein nicht-linearer Frequenzmultiplizierer dient. Die MIM agiert als ein effizienter Hochfrequenzgleichrichter, indem ein Quantentunneln von Ladungen von dem hohen in das niedrige Potential ermöglicht wird. Die elektrischen Ströme der beiden Signale (reflektiertes Signal + Referenzsignal) werden von dem MIM-Element gemischt, so dass eine Null-ZF-Abwärtswandlung des modulierten Signals bereitgestellt wird. Daher agiert der Tunnelübergang des MIM-Elements als ein Frequenzmischer, wenn er gleichzeitig von zwei harmonischen Signalen (Signalfolge und zeitverzögerte Signalfolge) beschickt wird. Da das Referenzsignal von der gleichen Quelle wie das reflektierte Signal stammt, liefert eine Frequenzmischung eine Abwärtswandlungsfunktion - wobei die Frequenz direkt in das Basisband umgewandelt wird, damit Null-ZF.
Es kann ein elektrischer Filter auf das umgewandelte Signal angewendet werden, um Signale in dem elektrischen Basisbandregime auszusondern. Ein derartiger Filter ist sehr gut definiert und sehr scharf, wodurch näherungsweise eine optimal angepasste Filterfunktion erhalten wird, die das Signal-zu-Rauschen optimiert.
Wie ferner im Folgenden beschrieben ist, multipliziert das MIM-Element die zwei Signale (linear frequenzmodulierte Signalfolge multipliziert mit einer zeitverzögerten linear frequenzmodulierten Signalfolge); die resultierende Frequenz (6) ist linear proportional zu der Zeitverzögerung und ermöglicht damit die Ermittlung der Zeitverzögerung durch Transformieren des resultierenden Signals über beispielsweise eine schnelle Fourier-Transformation (FFT).
Es können mehrere Antennen-MIM-Einheiten zu einem Array zusammengefügt werden, um Information aus einer Szene zu sammeln, die durch einen einzigen kohärenten fokussierten Strahl ausgeleuchtet ist, der mit einer einzigen optischen Anordnung verbunden ist. Eine derartige Information kann verwendet werden, um ToF aus zahlreichen diskreten oder überlappenden Gebieten einer Szene abzuleiten, so dass eine Identifizierung von Objekten (stationär oder bewegt) möglich ist, die in der Szene vorhanden sind (das heißt, Objekte können in Bezug auf den Hintergrund isoliert werden), und um deren Relativgeschwindigkeit abzuleiten. Eine Information aus einem derartigen Array kann verwendet werden, die 3D-Form von Objekten abzubilden und relative Winkelgeschwindigkeiten abzuleiten.
Zur Erkennung von Objekten verwendet das vorliegende System eine Verarbeitungseinheit (beispielsweise mit einem oder mehreren Prozessoren), die einer Antennen-MIM-Einheit oder einem gesamten Array davon zugeordnet ist. Die Verarbeitungseinheit verarbeitet den elektrischen Strom, der von dem Antennen-MIM-Element erzeugt wird, um ToF-Information zu erhalten, indem eine Zeitdifferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem Strahl, der von dem durch den Signalstrahl beleuchteten Objekt reflektiert wird, ermittelt wird.
Die vorliegende Erfindung bietet mehrere Vorteile gegenüber aktuellen ToF-Systemen:

(i) aufgrund ihres verbesserten Verbindungsbudgets kann das vorliegende System einen kohärenten fokussierten Strahl mit einer Leistung von 10 Watt oder weniger verwenden;
(ii) es wird nicht durch direktes Sonnenlicht oder Bedingungen einer schlechten Sicht (Regen, Schnee, Nebel, Staub, und dergleichen) beeinflusst, da die 10-µm-Wellenlänge, die von der optischen Anordnung aufgenommen wird, weniger durch schlechte Sichtbedingungen beeinflusst wird und im Sonnenlicht nahezu nicht vorhanden ist; und
(iii) es verwendet eine kohärente Erfassung, die eine genauere Tiefenabschätzung, ein verbessertes Verbindungsbudget, ein wesentlich leistungseffizienteres System und eine wesentlich höhere Datenerzeugungsrate bietet.

Es werden nun Ausführungsformen des vorliegenden Systems, das im Weiteren als System 10 bezeichnet ist, detaillierter mit Verweis auf die 2-5 beschrieben.
2 zeigt eine elektromagnetische Leistungsquelle 12 (auch im Weiteren als Quelle 12 bezeichnet) zur Ausgabe eines kohärenten fokussierten Strahls (beispielsweise eines Laserstrahls). Die Quelle 12 kann ein Gaslaser, etwa CO- oder CO₂-Laser sein, der in der Lage ist, einen kohärenten fokussierten Strahl mit 10 Watt auszugeben. Zu anderen kohärenten fokussierten Strahlquellen, die in dem vorliegenden System einsetzbar sind, gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, QCL-, VCSEL-, DFB-Laser und dergleichen.
Die Quelle 12 beinhaltet eine Kammer 14 mit einer speziellen Mischung aus Gasen. Es sind zwei Reflektoren (beispielsweise Spiegel) 16, 18 an den beiden Enden der Kammer angeordnet und Elektroden 20 sind in der Kammer angeordnet. Das Gas wird durch elektrischen Strom 21 angeregt, der über Elektroden 20 (entweder DC-Anregung oder HF-Anregung) bereitgestellt wird. Bei Anregung erfolgt in dem Gas eine spontane Emission von Photonen. Die Reflektoren 16 und 18 sind entsprechend einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlängen voneinander beabstandet, und eine Laserwirkung tritt auf, wenn die Photonen eine weitere Emission in dem Gas anregen. Der sich zwischen den Reflektoren 16 und 18 erstreckende Raum wird als ein Resonator bezeichnet, und damit die Laserwirkung aufrechterhalten wird, ist die folgende Beziehung für den Resonator erforderlich: $L = n λ$
wobei:

L der Abstand zwischen den Reflektoren 16 und 18 ist
n eine ganze Zahl ist
λ die Wellenlänge des Lasers ist.

Optische Filter können in der Kammer oder auf dem einem oder den beiden Reflektoren 16, 18 angeordnet werden, um gewisse Moden des Laserstrahls zu verhindern und um zu ermöglichen, dass lediglich spezielle Laser-Moden in der Kammer schwingen. Der Reflektor 18 ist teilweise durchlässig, so dass eine ausgewählte Laserenergie die Kammer in Form eines kohärenten fokussierten Strahls verlassen kann.
Um einen kohärenten fokussierten Strahl mit linearer Frequenzmodulation auszugeben, wird die zuvor beschriebene Laserkammer derart modifiziert, dass der Reflektor 16 und/oder 18 auf einem linearen Verschiebungsmechanismus 22 angeordnet wird. Der Mechanismus 22 kann ein Piezoelement oder einen Schrittmotor aufweisen, das bzw. der an dem Reflektor 16 und/oder 18 befestigt ist. Das Piezoelement oder der Schrittmotor kann den Reflektor 16 und/oder 18 entsprechend einer Strecke verschieben, die gleich einer oder mehreren Wellenlängen entspricht, wobei dies pro Einheitszeit erfolgt. Eine derartige Verschiebung kann 0,5-5 µm pro Mikrosekunde erreichen, woraus sich eine lineare Frequenzmodulation des kohärenten fokussierten Strahls in einem Bereich von 1-10000 Teilen pro Million (PPM) oder 0,000001%-0,01% einer Trägerfrequenz ergibt. Der Frequenzbereich des kohärenten fokussierten Strahls wird erreicht, indem der Reflektor 16 oder 18 einen Bereich von ±10- 10000 ppm der Trägerwellenfrequenz alle 10-10000 Mikrosekunden überstreicht. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schwingt die Wellenlänge des kohärenten fokussierten Strahls, der von der Quelle 12 ausgegeben wird, zwischen 900-10000 nm, und damit verschiebt der Mechanismus 22 den Reflektor 16 und/oder 18 um 1 µm/µs.
Somit kann durch geringfügige Änderung der Gesamtresonatorlänge (in Gleichung 1 als L angegeben) die Laserwellenlänge (die in Gleichung 1 durch λ angegeben ist) geändert werden, wie in 2 gezeigt ist: $λ + A λ = \frac{L + A L}{n} = = > Δ λ = \frac{Δ L}{n}$
Gemäß Gleichung 2 ergibt eine Änderung der Resonatorlänge um Ah eine Wellenlängenverschiebung des Lasers um Δλη. Unter Verwendung eines Piezoelements kann die Wellenlänge des Lasers zeitlich aktiv geändert werden, wie dies hierin beschrieben ist:
Unter der Annahme, dass die Verschiebung pro Zeit beschrieben wird als AL(t), kann die Wellenlänge in Abhängigkeit von der Zeit angegeben werden als AL(t)/n. Somit kann das Implementieren einer linearen Verschiebung von AL(t) = at, wobei a eine Konstante ist, ein lineares FM-Signal erzeugen. Durch Implementieren von beispielsweise einer Sägezahnverschiebungsfunktion kann man das lineare FM-Signal erhalten, das die Frequenz nach oben und nach unten überstreicht, wie in 3 gezeigt ist. Das Sägezahnmuster erzeugt ein ansteigende und abfallende (schwingende) SIGNALFOLGE bzw. CHIRP, was eine Abschätzung der Geschwindigkeit (sowie der Entfernung) von Objekten in einer Szene ermöglicht.
Sobald der kohärente fokussierte Strahl von der Quelle 12 erzeugt und ausgegeben ist, wird er über ein optisches transmittierendes Element bzw. Sendeelement 24 (optischer Teiler) auf zwei optische Kanäle (4-5) aufgeteilt.
Das optische Sendeelement 24 kann eine optische Linse sein, die ein oder mehrere Elemente aufweist, die verwendet werden, das abgestrahlte Licht entsprechend dem erforderlichen Sichtfeld (FOV) abzuführen. Wenn beispielsweise das erforderliche Sichtfeld 90°HX20°V beträgt, dann ist die Linse so, dass sie den kohärenten fokussierten Strahl auf einen derartigen Sektor, der 90°HX20°V hat, beschränkt.
Der Empfänger 30 ist nahe an dem optischen Sendeelement 24 angeordnet und dazu ausgerichtet, so dass er den gleichen Sektor oder FOV wie das optische Sendeelement 24 abdeckt.
Um eine derartige Ausrichtung zu ermöglichen, werden der Empfänger 30 und das Element 24 gemeinsam in einem einzigen Gehäuse untergebracht, das für derartige Zwecke geeignet ist.
Der Empfänger 30 kann eine optische Linse mit einem oder mehreren Elementen zum Sammeln des von der Szene (als 31 gekennzeichnet) reflektierten Lichts sein. Die Linse kann ähnliche optische Eigenschaften wie die Linse in dem Sendeelement 24 haben.
Ein oder mehrere (beispielsweise ein Array) Detektoren 32 (5) werden an dem Brennpunkt des Empfängers 30 angeordnet. Die Detektoren 32 sind so angeordnet, dass sie die Erzeugung eines Tiefenbildes in einem Array von X mal Y Pixeln ermöglichen (beispielsweise 50-1000 mal 50-1000).
Jeder Detektor 32 eines Detektor-Arrays wird durch zwei Signale gleichzeitig beleuchtet, das heißt, durch den Signalstrahl 26, der von der Szene reflektiert und in dem Empfänger 30 empfangen wird, und dem Referenzstrahl 28, der direkt zu dem Empfänger 30 durchgelassen wird.
Die folgende Gleichung 3 beschreibt das Durchgelassen-Signal unter der Annahme einer Frequenzmodulation eines Dauerstrahls (CWFM), der in der Quelle 12 eingerichtet ist, wie dies zuvor beschrieben ist: $S_{T} (t) = A s i n [2 π (f_{c} + a t) t]$
wobei:

A die Signalamplitude ist
Fc die Mittenfrequenz des Lasers ist [Hz]
A die Modulationsrate [Hz/s] ist
T die Zeit ist.

Daher ist Gleichung 4 das Signal, das jeden Detektor 30 erreicht: $S_{R} (t + Δ t) \approx B s i n {2 π [f_{c} + a (t + Δ t)] [t + A t]} * C s i n {2 π [f_{c} + a t] t}$
wobei:

B die gekoppelte Sendesignalamplitude ist
At die Zeitdifferenz zwischen dem durchgelassenen Signal und dem empfangenen Signal ist. Sie ist proportional zu der Entfernung, da die Entfernung gegeben ist durch Multiplikation der Zeitdifferenz mit der Lichtgeschwindigkeit.
C die empfangene Signalleistung ist.

Jeder Detektor 30 enthält eine Antenne, die mit einem oder mehreren MIM-Elementen gekoppelt ist. Dieses ist ein nichtlineares Hochgeschwindigkeitselement, das in der Lage ist, von der Antenne absorbierte Strahlen 26 und 28 in elektrische AC- bzw. Wechsel-Ströme umzuwandeln und die beiden harmonischen Stromsignale (der Strahlen 26 und 28) zu multiplizieren, um ein frequenzgemischtes Signal zu erhalten (6).
Gleichung 5 beschreibt das Signal, das von dem MIM-Element erzeugt wird: $I_{R} (t + Δ t) \approx B s i n {2 π [f_{c} + a (t + Δ t)] [t + A t]} * C s i n {2 π [f_{c} + a t] t}$
wobei:

I der an dem MIM erzeugte Strom ist.

Das Ausgangssignal des Detektors 30 ist eine Frequenz, die eine Entfernungsinformation (pro Detektor oder „Pixel“) enthält. Diese Ausgabe wird einer Ausleseschaltung zugeleitet, die eine Spannung erzeugt, die proportional zu der Entfernung ist. 7 zeigt eine typische Ausleseschaltung pro Pixel (Detektor 30). Die Einzelsensorausgabe (eine linear frequenzmodulierte Signalfolge multipliziert mit einer zeitverzögerten linear frequenzmodulierten Signalfolge) wird einem Verstärker mit niedrigem Rauschen zugeleitet, um das empfangene Signal auf einen Pegel zu verstärken, bei welchem es weiterverarbeitet werden kann (sowohl analoge als auch digitale Verarbeitung), ohne das Signal-zu-Rauschen zu beeinflussen, wobei eine Filterung über elektrische Schaltungen erfolgt, die als Filter dienen, wenn es von analog in digital (ADC) umgewandelt und transformiert (FFT) wird, um den Spannungsbereich des Signals zu erhalten. Eine Schaltung zum Multiplexieren mehrerer Pixel (Signale aus mehreren Detektoren 30) in Bezug auf einzigen ADC ist in 8 gezeigt.
Die Spannungsausgabe aus dem einem oder den mehreren Detektoren 30 kann durch einen Mikroprozessor (beispielsweise eine GPU, etwa Nvidia Tegra II) verarbeitet werden, um Entfernungs-/Geschwindigkeitsinformation zu ermitteln.
Das System 10 der vorliegenden Erfindung kann Information über die Tiefe eines Feldes, etwa eine Entfernung zu Objekten, eine Relativgeschwindigkeit von Objekten, Form von Objekten sowie eine Information, die typischerweise aus ToF-Systemen ermittelbar ist, bereitstellen.
Das System 10 ist insbesondere zur Verwendung in Fahrzeug-Fahrerassistenzsystemen (beispielsweise ADAS) geeignet.
Das System 10 kann an einer oder mehreren Stellen um das Fahrzeug herum mit Gehäuse montiert werden und mit der Fahrzeugbatterie in Bezug auf Energie und das Fahrzeug-Fahrerassistenzsystem zur Verarbeitung, zur Anzeige und zur Integration mit weiteren Assistenzsystemen verbunden werden.
Der Begriff „ungefähr“, wie er hierin verwendet ist, bezeichnet ±10%.
Weitere Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann beim Studium des folgenden Beispiels, das nicht als beschränkend erachtet werden soll.
BEISPIEL
Es wird nun auf das folgende Beispiel verwiesen, das in Verbindung mit den vorhergehenden Beschreibungen die Erfindung in einer nicht beschränkenden Weise beschreibt.
Anschauliches System

Das System 10 der vorliegenden Erfindung kann mit den folgenden Komponenten und Parametern aufgebaut werden:
FoV

H	90°
V	20°

Sensorauflösung

X	450 Pixel
Y	30 Pixel
gesamt	13500

Ziel

Bereich

160 m

Pixelgröße

x	0,56 m
y	1,86 m
Fläche	1,04 m²
Reflektivität	80%
Hintergrundemission	30 W/m²/µm

Transmittierende Linse bzw. Sendelinse (Tx)

Leistung	5 W
Leistung/Pixel	370,370370 µW/Pixel

Symbol (Signalfolge)

Länge	1,00E-03 Sec.
Bandbreite (BW)	1,00E + 03 Hz

Empfangslinse (Rx)

Durchmesser	0,02 m
Fläche	0,0003 14159 m²
Verbindungsverluste	512000000
eingangsseitiger Filter	1,00E-06 m

Detektor (MIM-gekoppelte Antenne)

Signal	1,14E-08 ARMS
Rauschen photonisches Schrotrauschen	1,34E-10ARMS
elektrisches Schrotrauschen	4,00E-10ARMS
thermisches Rauschen	1,82E-10ARMS
insgesamt	4,593E-10ARMS
SNR	2,48E+01
	2,79E+01 dB

Zu beachten ist, dass gewisse Merkmale der Erfindung, die der Klarheit halber im Zusammenhang separater Ausführungsformen beschrieben sind, auch in Kombination in einer einzigen Ausführungsform einsetzbar sind. Umgekehrt können diverse Merkmale der Erfindung, die der Kürze halber im Zusammenhang einer einzigen Ausführungsform beschrieben sind, auch separat oder in einer beliebigen geeigneten Unterkombination verwendet werden.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit speziellen Ausführungsformen beschrieben ist, ist ersichtlich, dass sich viele Alternativen, Modifizierungen und Variationen für den Fachmann ergeben. Daher ist beabsichtigt, alle derartigen Alternativen, Modifizierungen und Variationen mit einzuschließen, die im Grundgedanken und im breiten Bereich der angefügten Ansprüche liegen. Alle Veröffentlichungen, Patente und Patentanmeldungen, die in dieser Anmeldung genannt sind, sind hiermit durch Bezugnahme vollständig in gleichem Maße mit eingeschlossen, also ob jede einzelne Veröffentlichung, jedes Patent oder jede Patentanmeldung speziell und einzeln hierin als Referenz mit eingeschlossen angegeben ist. Ferner soll eine Nennung oder eine Angabe einer Referenz in dieser Anmeldung nichts als ein Zugeständnis erachtet werden, dass eine derartige Referenz als Stand der Technik für die vorliegende Erfindung verfügbar ist.

Claims

BEANSPRUCHT IST:
Ein System für Laufzeitmessungen, mit: (a) einer elektromagnetischen Leistungsquelle, die ausgebildet ist, einen kohärenten fokussierten Strahl mit Frequenzmodulation auszugeben; (b) einer optischer Anordnung, die aufweist: (b1) ein optisches Sendeelement, das ausgebildet ist, den kohärenten fokussierten Strahl in einen Signalstrahl und einen Referenzstrahl aufzuteilen und den Signalstrahl zu einem Objekt zu lenken; und (b2) einen optischen Empfänger, der ausgebildet ist, den Referenzstrahl mit einem reflektierten Strahl, der ein Strahl ist, der von dem Objekt als Folge des Auftreffens des Signalstrahls auf das Objekt zurückkehrt, zu einem kombinierten optischen Strahl zu kombinieren; (c) einer Antenne, die ausgebildet ist, den kombinierten Strahl in ein elektrisches Signal umzuwandeln; und (d) einem Prozessor, der ausgebildet ist, eine Laufzeitinformation aus dem elektrischen Signal abzuleiten.
Das System nach Anspruch 1, wobei die Quelle für den kohärenten fokussierten Strahl eine Gasentladungskammer mit einem beweglichen optischen Reflektor aufweist.
Das System nach Anspruch 2, wobei der bewegliche optische Reflektor über ein Piezoelement bewegbar ist.
Das System nach Anspruch 1, wobei der bewegliche optische Reflektor für eine lineare Verschiebung geeignet ist.
Das System nach Anspruch 1, wobei die lineare Frequenzmodulation des kohärenten fokussierten Strahls in einem Bereich von 1-10000 Teilen pro Million (PPM) einer Trägerfrequenz erfolgt.
Das System nach Anspruch 1, wobei der kohärente fokussierte Strahl durch Überstreichen eines Bereich von +10-100 ppm einer Trägerwelle alle 10-1000 Mikrosekunden erzeugt wird.
Das System nach Anspruch 1, wobei die Antenne mit mindestens einem Metall-Isolator-Metall- (MIM-) Tunnelübergang gekoppelt ist.
Das System nach Anspruch 7, wobei der mindestens eine MIM-Tunnelübergang ein Frequenzmultiplizierer oder ein Frequenzmischer ist.
Das System nach Anspruch 1, wobei das elektrische Signal ein elektrisches Wechselsignal ist.
Das System nach Anspruch 1, wobei der Prozessor eine Laufzeitinformation aus dem elektrischen Strom auf der Grundlage einer Zeitdifferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem reflektierten Strahl ableitet.
Das System nach Anspruch 1, wobei die Quelle für den kohärenten fokussierten Strahl ein CO- oder CO₂-Laser ist.
Das System nach Anspruch 1, wobei der kohärente optische Strahl eine Leistung von 10 Watt hat.
Das System nach Anspruch 1, wobei das optische Sendeelement und der optische Empfänger optisch so ausgerichtet sind, dass sie ein einziges Sichtfeld abdecken.
Ein Fahrzeug, das das System nach Anspruch 1 aufweist.
Das Fahrzeug nach Anspruch 14, wobei das System ausgebildet ist, eine Kollisionswarnangabe bereitzustellen.
Ein Verfahren zur Messung einer Entfernung und/oder einer Geschwindigkeit eines Objekts, mit: (a) Aufteilen eines kohärenten fokussierten Strahls mit einer linearen Frequenzmodulation in einen Signalstrahl und einen Referenzstrahl; (b) Kombinieren des Referenzstrahls und eines Strahls, der von dem durch den Signalstrahl bestrahlten Objekt reflektiert wird, zu einem kombinierten optischen Strahl; (c) Umwandeln des kombinierten Strahls in einen elektrischen Strom; und (d) Ableiten einer Laufzeitinformation aus dem elektrischen Strom.