EP4720709A1 - Verfahren zum erzeugen eines frequenzmodulierten sendesignals für eine sendeeinrichtung, computerprogrammprodukt, computerlesbares speichermedium, sendeeinrichtung sowie detektionsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines frequenzmodulierten Sendesignals (8) für eine Sendeeinrichtung (5) einer Detektionsvorrichtung (2) zum Aussenden des frequenzmodulierten Sendesignals (8) in eine Umgebung (3) der Detektionsvorrichtung (2), mit den Schritten: - Erzeugen eines Frequenzkamms (11) mittels einer optischen modengekoppelten Quelle (10) der Sendeeinrichtung (5); - Filtern von zumindest einer Frequenzlinie (12) in dem erzeugten Frequenzkamm (11) mittels einer ersten optischen Filtereinrichtung (13) der Sendeeinrichtung (5); und - Erzeugen des frequenzmodulierten Sendesignals (8) mittels einer Photodiode (14) der Sendeeinrichtung (5) in Abhängigkeit von dem gefilterten Frequenzkamm (15), wobei das frequenzmodulierte Sendesignal (8) proportional zum Frequenzunterschied zur gefilterten Frequenzlinie (12) erzeugt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, ein computerlesbares Speichermedium, eine Sendeeinrichtung (5) sowie eine Detektionsvorrichtung (2).

Description

Beschreibung

Verfahren zum Erzeugen eines frequenzmodulierten Sendesignals für eine Sendeeinrichtung, Computerprogrammprodukt, computerlesbares Speichermedium, Sendeeinrichtung sowie Detektionsvorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines frequenzmodulierten Sendesignals für eine Sendeeinrichtung einer Detektionsvorrichtung zum Aussenden des Sendesignal in eine Umgebung der Detektionsvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Computerprogrammprodukt, ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium, eine entsprechende Sendeeinrichtung sowie eine entsprechende Detektionsvorrichtung.

Aus dem Kraftfahrzeugbau sind bereits Radarsensorvorrichtungen für Kraftfahrzeuge bekannt. Insbesondere werden solche Radarsensorvorrichtungen bei beispielsweise zumindest teilweise betriebenen autonomen Kraftfahrzeugen, insbesondere jedoch auch bei vollautonom betriebenen Kraftfahrzeugen, eingesetzt. Um jedoch eine solche automatisierte Fahrt zu ermöglichen, ist eine sichere Umfeldwahrnehmung unabdinglich. Dabei wird das Umfeld beziehungsweise die Umgebung mithilfe von Sensoren wie Radar, Lidar und Kamera erfasst. Besonders wichtig ist eine ganzheitliche 360-Grad-dreidimensionale Erfassung der Umgebung, sodass alle statischen und dynamischen Objekte erfasst werden können. Insbesondere dem Lidar kommt in der redundanten, robusten Umfelderfassung eine tragende Rolle zugute, da dieser Sensortyp präzise in der Umfelderfassung Entfernungen messen und auch zur Klassifikation eingesetzt werden kann. Allerdings sind diese Lidarsensoren kostenintensiv und in ihrem Aufbau aufwendig. Insbesondere 360-Grad- dreidimensionale-Umfelderfassung ist problematisch, da entweder viele kleinere Einzelsensoren notwendig sind, um dieses zu gewährleisten, welche in der Regel mit vielen einzelnen Lichtquellen und Detektorelementen arbeiten, oder es werden große Lidarsensoren verbaut. Weiterhin sind Lidar-Sensoren anfällig gegenüber Wettereinflüssen wie Regen, Nebel oder direkte Sonneneinstrahlung.

Radarsensoren beziehungsweise Radarsensorvorrichtungen sind ebenfalls aus dem Kraftfahrzeugbau etabliert und liefern bei allen Witterungsbedingungen zuverlässig und ausfallsicher Daten. Selbst schlechte Sichtverhältnisse wie beispielsweise Regen, Nebel, Schnee, Staub oder Dunkelheit beeinflussen kaum ihre Wahrnehmungszuverlässigkeit. Allerding ist gemäß dem Stand der Technik das Auflösungsvermögen bisher beschränkt, insbesondere sind im Einsatz befindliche Serienradare lediglich mit einem Auflösungsvermögen von etwa 7 Grad ausgebildet. Um die Anforderungen für eine erhöhte Automatisierungsstufe im Kraftfahrzeugbau mit sicheren Fahrfunktionen zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Radarsensorvorrichtung dreidimensionale Bilder mit einer hohen Auflösung im Bereich von 0,1 Grad und darunter mit einer großen Unempfindlichkeit gegenüber Störungen von ihrer Umgebung liefern. Dies wird mit der konventionellen Radartechnik gemäß dem Stand der Technik nicht erreicht, da das Auflösungsvermögen solcher Systeme zu gering ist.

Insbesondere sind ferner bereits photonische Radarsensorvorrichtungen bekannt, welche eine Erhöhung des Auflösungsvermögens realisieren, indem elektronische und photonische Komponenten kointegriert werden in einem einzigen Halbleiterpunkt. Die Verfolgung eines FMCW-Signals, sowie die gesamte Signalverarbeitung und -auswertung werden dabei durch eine Zentralstation durchgeführt. Jedes Sende- und Empfangsmodul weist einen elektronisch- photonisch kointegrierten Chip, einem sogenannten Epic-Chip, auf. Für die Kointegration wird eine Silizium-Photonik-Technologie verwendet. Diese ermöglicht die monolithische Integration von photonischen Bauelementen, Hochfrequenzelektronik und digitale Elektronik gemeinsam auf einem Chip. Die technische Innovation eines solchen Systems liegt dabei in der Signalübertragung von Gigahertz-Signalen mittels des optischen Trägersignals im Terahertz- Frequenzbereich. Eine Zentralstation, welche auch als zentrale elektronische Recheneinrichtung bezeichnet werden kann, erzeugt eine optische Trägerfrequenz in Terahertz. Auf diese wird das zu übertragende Signal mit einem Achtel der Radarfrequenz moduliert und per optischer Phase an die Antennenchips gesendet. Auf diesen findet eine Frequenzverachtfachung statt, sodass die Radarstrahlung von den Antennenchips emittiert werden kann. Die Signaldetektion geschieht auf dem umgekehrten Weg. Alle Daten werden auf der Zentralstation prozessiert. Eine solche Ausführungsform ist jedoch sehr aufwendig in der Implementierung von Gigahertz-Elektronik auf Chipebene. Insbesondere die auf dem Chip stattfindende Frequenzvervierfachung nach Detektion durch eine Photodiode ist technisch herausfordernd und stellt hohe Aufwände hinsichtlich der Gigahertz-Signalerzeugung mit hohem Signal-zu-Rausch-Verhältnis und möglichst geringem Jitter dar. So muss das Gigahertz-Signal in weiteren Schritten aufwendig stabilisiert werden. Darüber hinaus ist Gigahertz-Elektronik kostenintensiv. Weiterhin werden hohe Leistungsanforderungen an den optischen Träger, insbesondere einen Laser, gesetzt, da viel optische Leistung benötigt wird, um ein hochpräzises Gigahertz-Signal zu erzeugen, was Ringleitung mit einer einzigen Phase für ein Radararray mit vielen verteilten Radar- Halbleiterchips schwer realisierbar macht. Insbesondere werden weiterhin zwei unterschiedliche photonisch-elektronische Halbleiterchips für einen jeweiligen Sende- und Empfangskanal benötigt, was zu weiteren Kostenaufwänden führt.

Aus dem Stand der Technik sind, wie bereits beschrieben, photonische Radarsysteme beziehungsweise auch Lidarsysteme bekannt, welche auf Basis von frequenzmodulierten kontinuierlichen Wellen basieren (Frequency Modulated Continuous Wave - FMCW). Diese Systeme können beispielsweise als frequenzmoduliertes Dauerstrich-Radar beziehungsweise als frequenzmoduliertes Dauerstrich-Lidar ausgebildet sein.

Diese Systeme benötigen optische frequenzmodulierte kontinuierliche Wellensignale für den Betrieb. Diese werden häufig mittels eines kontinuierlichen Wellenlasers (Continuous Wave - CW) und einem anschließenden Intensitätsmodultor, zum Beispiel einem Mach Zehnder- Modulator, der durch ein elektrisches Signal angesteuert wird, erzeugt. Hierbei übersetzen sich etwaige Phasensprünge direkt in das optische Signal. Diese Sprünge können in der Signalverarbeitung zu Problemen in der Auswertung führen.

Abhilfe hierbei können beispielsweise im Stand der Technik durch optische Moden gekoppelte Quellen, wie zum Beispiel ein Kerr-Resonator oder modengekoppelte Laser (MLL - Multi-Linien-Laser) liefern. Das Ausgangssignal dieser Quellen ist bereits phasenstabilisiert. Hierbei liefern die insbesondere gut integrierbaren Kerr-Oszillatoren allerdings nur sehr wenig Leistung. Im Gegensatz dazu liefern die in der Vergangenheit nicht integrierbaren MLL viel Leistung, jedoch strahlen diese auch eine erhöhte thermische Energie ab.

Insbesondere bei den Kerr-Oszillatoren als Pulsquelle werden bereits die beiden Oszillatoren mit einem optischen FMCW-Signal gepumpt. Ferner ist bekannt, dass die Pulsquelle zur Kompensation der Nichtlinearität eines bereits bestehenden FMCW-Lasersignals genutzt wird.

Nachteilig an diesen bekannten Systemen ist, dass die Systeme bereits bestehende FMCW- Lasersignale benötigen. Zudem sind die Systeme thermisch nur schwer zu stabilisieren, da die beiden optischen Ringe beispielsweise thermisch gekoppelt werden müssen. Ferner ist bekannt, dass die Pulsquellen nicht zur Stabilisierung der FMCW-Rampe, sondern für eine vorteilhafte Ausführungsform der Signalverortung genutzt werden. Ferner ist beispielsweise bei photonischen Radarsystemen bekannt, dass das optische Signal in ein elektrisches Signal überführt werden muss. Dies wird meist mittels einer Photodiode getan. Die Photodiode wird hierbei allerdings aufgrund der fehlenden Zweiseitenbandmodulation keinerlei zeitlich verändertes Signal erzeugen können. Die WO 2022/157191 A1 betrifft eine Radarsensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer zentralen elektronischen Recheneinrichtung, welche zum Erzeugen eines elektrischen Steuersignals für eine Sendeeinrichtung ausgebildet ist, einer Lasereinrichtung, welche in Abhängigkeit von dem elektrischen Steuersignal ein optisches Übertragungssignal zum Übertragen an die Sendeeinrichtung erzeugt, mit einer Transformatoreinrichtung mit zumindest einem ersten optischen Ringresonator, welcher in Abhängigkeit von dem optischen Übertragungssignal einen Pulszug erzeugt, wobei die Transformatoreinrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Aussendesignals in Abhängigkeit vom Pulszug ausgebildet ist, mit der Sendeeinrichtung, welche zum Aussenden des elektrischen Aussendesignals ausgebildet ist, und mit einer Empfangseinrichtung zum Empfangen eines elektrischen Empfangssignals zum Übertragen des elektrischen Empfangssignals an die zentrale elektronische Recheneinrichtung.

Die JP 2019 039972 A beschreibt ein Erzeugen eines Signals, wie z.B. einer Mikrowelle und einer Millimeterwelle, mit unterdrücktem Phasenrauschen, in einem frequenzvariablen Zustand, ohne dass eine stabile optische Frequenzkamm-Referenzlichtquelle speziell erforderlich ist.

Die CN 114 36 19 31 A offenbart eine elektro-optische Frequenzkamm- Erzeugungsvorrichtung mit sehr geringem Rauschen, umfassend: ein optisches Frequenzkammmodul zum Erzeugen eines optischen Frequenzkamms, das kontinuierliche Lasermodul wird zum Ausgeben eines Referenzlasers mit stabiler Frequenz und eines kontinuierlichen Lasers zur elektro-optischen Modulation verwendet; ein Rückkopplungsmodul zum Verriegeln des optischen Frequenzkamms mit dem Referenzlaser und zum Verriegeln des kontinuierlichen Lasers mit dem optischen Frequenzkamm; das Mikrowellenfrequenz-Erzeugungsmodul wird zum Empfangen des optischen Frequenzkamms und zum Umwandeln des optischen Frequenzkamms in ein Mikrowellensignal verwendet; und das elektro-optische Modulationsmodul wird zum Empfangen des Mikrowellensignals verwendet, um eine elektro-optische Modulation an dem kontinuierlichen Laser durchzuführen, um einen elektro-optischen Frequenzkamm zu erzeugen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, ein entsprechendes Computerprogrammprodukt, ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium, eine entsprechende Sendeeinrichtung sowie eine entsprechende Detektionsvorrichtung zu schaffen, mittels welchen vorteilhaft ein frequenzmoduliertes kontinuierliches Wellen-Signal erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, ein entsprechendes Computerprogrammprodukt, ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium, eine entsprechende Sendeeinrichtung sowie eine entsprechende Detektionsvorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines frequenzmodulierten Sendesignals für eine Sendeeinrichtung einer Detektionsvorrichtung zum Aussenden des Sendesignals in eine Umgebung der Detektionsvorrichtung. Es wird ein Frequenzkamm mittels einer optischen modengekoppelten Quelle der Sendeeinrichtung erzeugt. Es erfolgt das Filtern von zumindest einer Frequenzlinie in dem erzeugten Frequenzkamm mittels einer ersten optischen Filtereinrichtung der Sendeeinrichtung. Es wird ein frequenzmoduliertes Sendesignal mittels einer Photodiode der Sendeeinrichtung in Abhängigkeit von dem gefilterten Frequenzkamm erzeugt, wobei das Sendesignal proportional zum Frequenzunterschied zur gefilterten Frequenzlinie erzeugt wird.

Insbesondere ist somit ein optischer Bandpassfilter vorgeschlagen, welcher aus dem Frequenzkamm zumindest eine Frequenzlinie, insbesondere eine endliche Vielzahl von Frequenzlinien, herausfiltert, wobei wiederum auf Basis des gefilterten Frequenzkamms das frequenzmodulierte Sendesignal erzeugt wird. Das frequenzmodulierte Sendesignal ist dabei insbesondere ein frequenzmoduliertes kontinuierliches Wellen-Signal (Frequency Modulated Continuous Wave - FMCW).

Insbesondere kann beispielsweise die Detektionsvorrichtung für ein so genanntes Dauerstrich-Radar, insbesondere ein frequenzmoduliertes Dauerstrich-Radar, sowie für ein frequenzmoduliertes Dauerstrich-Lidar ausgebildet sein. Insbesondere zur Abstandsmessung werden hierfür meist entsprechende Sägezahn- oder Dreiecksfunktionen verwendet. Dabei kann in der Ausführungsform des Dauerstrich-Radars es sich um ein Radarsystem handeln, das sich von einem Impulsradar dadurch unterscheidet, dass die Sendeeinrichtung während der Dauer des Messvorgangs ununterbrochen arbeitet. Insbesondere wird beim so genannten Dauerstrich-Radar die ausgesendete Frequenz moduliert. Auf Basis des Dauerstrich-Radars kann beispielsweise eine berührungslose Geschwindigkeitsmessung auf Basis des Doppler-Effekts oder auch ein Bewegungsmelder entsprechend genutzt werden. Die Dauerstrich-Radargeräte können beispielsweise auch für die Abstands- oder Höhenmessung oder auch als Navigationsradar mit geringer Reichweite auf beispielsweise Schiffen oder Booten eingesetzt werden. Bei dem frequenzmodulierten Sendesignal handelt es sich somit insbesondere um ein periodisch frequenzmoduliertes Signal, auf Basis dessen eine hohe Genauigkeit einer Messung im Wesentlichen zeitlinear durchgeführt werden kann. Die Anwendung als Dauerstrich-Radar ist jedoch nur eine von mehreren Anwendungsgebieten. Die Sendeeinrichtung kann beispielsweise auch für die funkbasierte Kommunikation verwendet werden.

Insbesondere ist somit vorgesehen, dass die optische modengekoppelte Quelle den Frequenzkamm erzeugt, wobei aus diesem Frequenzkamm eine endliche Anzahl von Frequenzlinien herausgefiltert werden und die Auswahl dieser Linien separiert wird. In der Photodiode wird dann wiederum auf Basis des gefilterten Signals das auszusendende Signal erzeugt, welches insbesondere proportional zum Frequenzunterschied der ausgewählten Linien ist.

Insbesondere kann somit mittels einer optischen modengekoppelten Quelle eine beliebige Modulation, beispielsweise auch eine frequenzmodulierte Rampe, erzeugt werden. Dieses Signal ist aufgrund seiner Erzeugungsart bereits phasenstabilisiert.

Im Gegensatz zum Stand der Technik wird beispielsweise keine extra Lasereinrichtung zum Erzeugen des frequenzmodulierten Signals benötigt, da nur Linien von einer modengekoppelten Quelle benötigt werden, muss beispielsweise das System auch nicht thermisch stabilisiert werden. Des Weiteren kann auf Basis des vorgeschlagenen Verfahrens innerhalb der Photodiode ein Signal erzeugt werden, welches zeitlich variabel ist. Somit kann hiermit auch beispielsweise ein photonisches Radar realisiert werden.

Insbesondere sei an dieser Stelle angemerkt, dass die vorgeschlagene Detektionsvorrichtung nicht nur im Kraftfahrzeugbau einsetzbar ist, sondern beispielsweise auch in entsprechenden Produktionsanlagen zur Überwachung von einem Herstellungsprozess. Insbesondere kann neben der Radareinrichtung auch eine Funkeinrichtung beziehungsweise allgemein eine Kommunikationseinrichtung zur drahtlosen Kommunikation auf Basis des erzeugten Sendesignals bereitgestellt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird zumindest eine zweite optische Filtereinrichtung bereitgestellt, wobei mittels der zweiten optischen Filtereinrichtung zumindest eine weitere Frequenzlinie gefiltert wird. Insbesondere können diese Signale dann wiederum zusammengeführt werden, und zusammen an die Photodiode übertragen werden. Auf Basis der unterschiedlichen Frequenzen kann wieder zuverlässig das frequenzmodulierte Sendesignal mittels der Photodiode erzeugt werden.

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mittels der ersten optischen Filtereinrichtung zumindest eine weitere Frequenzlinie gefiltert wird. Insbesondere ist somit vorgesehen, dass mittels der einen optischen Filtereinrichtung bereits zumindest zwei Frequenzlinien, insbesondere mehr als zwei Frequenzlinien, beispielsweise drei oder mehr Frequenzlinien, herausgefiltert werden. Somit ist es ermöglicht, dass mittels einer einzigen optischen Filtereinrichtung bereits zuverlässig das frequenzmodulierte Sendesignal mittels der Photodiode erzeugt werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform sieht vor, dass mittels eines optischen dispersiven Elements der Sendeeinrichtung zumindest zwei Frequenzlinien näher zusammengeführt werden. Insbesondere kann somit je nach Repetitionsfrequenz der optisch modulierten Quelle mittels dem optionalen dispersiven optischen Element die ausgewählten Linien näher zusammengeführt werden. Die Zerlegung von Licht in seine Wellenlängenbestandteile nennt man Dispersion. Ein Element mit dieser Eigenschaft wird als dispersives Element bezeichnet. Dadurch ist es ermöglicht, dass unterschiedliche frequenzmodulierte Sendesignale erzeugt werden können.

Weiterhin vorteilhaft ist, wenn mittels eines optischen dispersiven Elements der Sendeeinrichtung zumindest zwei Frequenzlinien weiter auseinander gezogen werden. Insbesondere kann somit je nach Repetitionsfrequenz der optisch modulierten Quelle mittels dem optionalen dispersiven optischen Element die ausgewählten Linien voneinander entfernt werden. Dadurch ist es ermöglicht, dass unterschiedliche frequenzmodulierte Sendesignale erzeugt werden können.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform sieht vor, dass das dispersive Element im Strahlengang nach der optischen Filtereinrichtung angeordnet wird. Somit kann das dispersive Element zuverlässig auf Basis des bereits gefilterten Signals die Frequenzlinien weiter auseinanderziehen beziehungsweise weiter zusammenführen, wodurch eine verbesserte Erzeugung des Sendesignals realisiert werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform sieht vor, dass das dispersive Element im Strahlengang vor der optischen Filtereinrichtung angeordnet wird. Somit wird der Frequenzkamm über das dispersive Element bereits beispielsweise gestaucht oder auseinander gezogen, wodurch die Filterung verbessert durchgeführt werden kann. Weiterhin vorteilhaft ist, wenn als frequenzmoduliertes Sendesignal eine Frequenzrampe erzeugt wird. Bei der Frequenzrampe handelt es sich insbesondere um ein im Wesentlichen dreieckförmiges Sendesignal. Hierbei können beispielsweise absteigende oder aufsteigende Frequenzrampen erzeugt werden. Bei der aufsteigenden Frequenzrampe steigt somit über die Zeit die Frequenz des ausgesendeten Signals an. Bei der absteigenden Frequenzrampe fällt wiederum die Frequenz im Laufe der Zeit ab. Somit kann das vorgeschlagene Verfahren vorteilhaft bei beispielsweise einem Dauerstrich-Radar beziehungsweise einem Dauerstrich- Lidar eingesetzt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird in der Photodiode eine heterodyne Detektion durchgeführt. Bei der heterodynen Detektion handelt es sich um eine Methode der Signalverarbeitung, um Wellen einer unbekannten Frequenz durch Mischung mit Wellen einer Referenzfrequenz zu detektieren. Insbesondere kann dadurch eine zuverlässige Analyse von den entsprechenden Signalen durchgeführt werden. Alternativ kann auch eine homodyne Detektion durchgeführt werden. Hierbei handelt es sich um eine Methode, um die Modulation einer Schwingung durch Mischung mit einer fast gleichen Referenzfrequenz zu detektieren. Somit kann auf unterschiedliche Art und Weise eine entsprechende Detektion realisiert werden.

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Detektionsvorrichtung als photonische Radarvorrichtung oder als Lidarvorrichtung bereitgestellt wird. Alternativ oder ergänzend kann die Detektionsvorrichtung auch für eine Kommunikationseinrichtung, beispielsweise eine Funkeinrichtung eingesetzt werden. Somit ist das Verfahren/die Sendeeinrichtung hochflexibel in unterschiedlichen Situationen verwendbar, indem entsprechende Sendesignale benötigt werden. Unter einem Funksignal können hier und im Folgenden elektromagnetische Wellen verstanden werden, deren Frequenzen kleiner oder gleich 3 THz sind und die sich ohne künstliche Führung im Raum ausbreiten. Entsprechende Frequenzbereiche für das Funksignal können Niederfrequenzwellen, Radiowellen oder Mikrowellen entsprechen. Beispielsweise kann die Frequenz der elektromagnetischen Wellen zwischen 3 Hz und 3 THz liegen, insbesondere zwischen 100 MHz und 100 GHz. Eine bekannte Bauform von Lidarsystemen sind sogenannte Laserscanner, bei denen ein Laserstrahl mittels einer Lichtumlenkvorrichtung abgelenkt wird, so dass verschiedene Ablenkwinkel des Laserstrahls realisiert werden können. Die Lichtumlenkvorrichtung kann beispielsweise einen drehbar gelagerten Spiegel enthalten. Alternativ kann die Lichtumlenkvorrichtung ein Spiegelelement mit einer kipp- und/oder schwenkbaren Oberfläche aufweisen. Das Spiegelelement kann beispielsweise als mikroelektromechanisches System, MEMS, ausgestaltet sein. In der Umgebung können die ausgesendeten Laserstrahlen teilweise reflektiert werden und die reflektierten Anteile können wiederum auf den Laserscanner treffen, insbesondere auf die Lichtumlenkvorrichtung, die sie auf eine Detektoreinheit des Laserscanners lenken kann. Jeder optische Detektor der Detektoreinheit erzeugt insbesondere ein zugehöriges Detektorsignal basierend auf den von dem jeweiligen optischen Detektor erfassten Anteilen. Anhand der räumlichen Anordnung des jeweiligen Detektors kann zusammen mit der aktuellen Position der Lichtumlenkvorrichtung, insbesondere ihrer Drehposition beziehungsweise ihrer Kipp- und/oder Schwenkposition, somit auf die Einfallsrichtung der detektierten reflektierten Anteile geschlossen werden. Eine Auswerteeinheit kann zudem beispielsweise eine Lichtlaufzeitmessung durchführen, um einen radialen Abstand des reflektierenden Objekts zu bestimmen. Zur Abstandsbestimmung kann alternativ oder zusätzlich auch ein Verfahren eingesetzt werden, gemäß dem ein Phasenunterschied zwischen emittiertem und detektiertem Licht ausgewertet wird.

Andere Ausführungen von Lidarsystemen sind Flash Lidarsysteme. Dabei handelt es sich um nicht scannende Systeme, die keine solche Lichtablenkungsanordnung benötigen. Dabei wird das von der Lichtquelle erzeugte Laserlicht durch ein optisches Element gestreut, sodass es in einem einzigen Blitz über einen weiten Winkel ausgestrahlt wird. Dies erzeugt eine hohe Flexibilität und Einsatzmöglichkeit des Verfahrens beziehungsweise der Sendeeinrichtung.

Bei dem vorgestellten Verfahren handelt es sich insbesondere auch um ein computerimplementiertes Verfahren. Daher betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, welche eine elektronische Recheneinrichtung dazu veranlassen, wenn die Programmcodemittel von der elektronischen Recheneinrichtung abgearbeitet werden, ein Verfahren nach dem vorhergehenden Aspekt durchzuführen.

Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Speichermedium mit zumindest einem Computerprogrammprodukt nach dem vorhergehenden Aspekt.

Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Sendeeinrichtung für eine Detektionsvorrichtung zum Erzeugen eines frequenzmodulierten Sendesignals zum Aussenden des Sendesignals an eine Umgebung der Detektionsvorrichtung, mit zumindest einer optischen modengekoppelten Quelle, mit einer ersten optischen Filtereinrichtung und mit einer Photodiode, wobei die Sendeeinrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach dem vorhergehenden Aspekt ausgebildet ist. Insbesondere wird das Verfahren mittels der Sendeeinrichtung durchgeführt.

Beispielsweise weist die Sendeeinrichtung zusätzlich noch eine elektronische Recheneinrichtung auf, um beispielsweise den Frequenzkamm zu erzeugen beziehungsweise die Filtereinrichtung entsprechend einzustellen.

Unter einer Recheneinheit/elektronische Recheneinrichtung kann insbesondere ein Datenverarbeitungsgerät verstanden werden, das einen Verarbeitungsschaltkreis enthält. Die Recheneinheit kann also insbesondere Daten zur Durchführung von Rechenoperationen verarbeiten. Darunter fallen gegebenenfalls auch Operationen, um indizierte Zugriffe auf eine Datenstruktur, beispielsweise eine Umsetzungstabelle, LUT (englisch: „look-up table“), durchzuführen.

Die Recheneinheit kann insbesondere einen oder mehrere Computer, einen oder mehrere Mikrocontroller und/oder einen oder mehrere integrierte Schaltkreise enthalten, beispielsweise eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, ASIC (englisch: „application-specific integrated circuit“), eines oder mehrere feldprogrammierbare Gate-Arrays, FPGA, und/oder eines oder mehrere Einchipsysteme, SoC (englisch: „system on a chip“). Die Recheneinheit kann auch einen oder mehrere Prozessoren, beispielsweise einen oder mehrere Mikroprozessoren, eine oder mehrere zentrale Prozessoreinheiten, CPU (englisch: „central processing unit“), eine oder mehrere Grafikprozessoreinheiten, GPU (englisch: „graphics processing unit“) und/oder einen oder mehrere Signalprozessoren, insbesondere einen oder mehrere Digitalsignalprozessoren, DSP, enthalten. Die Recheneinheit kann auch einen physischen oder einen virtuellen Verbund von Computern oder sonstigen der genannten Einheiten beinhalten.

In verschiedenen Ausführungsbeispielen beinhaltet die Recheneinheit eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwareschnittstellen und/oder eine oder mehrere Speichereinheiten.

Eine Speichereinheit kann als flüchtiger Datenspeicher, beispielsweise als dynamischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff, DRAM (englisch: „dynamic random access memory“) oder statischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff, SRAM (englisch: „static random access memory“), oder als nicht-flüchtiger Datenspeicher, beispielsweise als Festwertspeicher, ROM (englisch: „read-only memory“), als programmierbarer Festwertspeicher, PROM (englisch: „programmable read-only memory“), als löschbarer programmierbarer Festwertspeicher, EPROM (englisch: „erasable programmable read-only memory“), als elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher, EEPROM (englisch: „electrically erasable programmable read-only memory“), als Flash-Speicher oder Flash-EEPROM, als ferroelektrischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff, FRAM (englisch: „ferroelectric random access memory“), als magnetoresistiver Speicher mit wahlfreiem Zugriff, MRAM (englisch: „magnetoresistive random access memory“) oder als Phasenänderungsspeicher mit wahlfreiem Zugriff, PCRAM (englisch: „phase-change random access memory“), ausgestaltet sein.

Ebenfalls betrifft die Erfindung eine Detektionsvorrichtung mit zumindest einer Sendeeinrichtung nach dem vorhergehenden Aspekt.

Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Detektionsvorrichtung nach dem vorhergehenden Aspekt. Das Kraftfahrzeug kann dabei beispielsweise als zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug oder als vollelektrisch betriebenes Kraftfahrzeug ausgebildet sein. Ferner kann das Kraftfahrzeug als zumindest teilweise autonomes Kraftfahrzeug beziehungsweise als vollautonomes Kraftfahrzeug ausgebildet sein.

Für Anwendungsfälle oder Anwendungssituationen, die sich bei dem Verfahren ergeben können und die hier nicht explizit beschrieben sind, kann vorgesehen sein, dass gemäß dem Verfahren eine Fehlermeldung und/oder eine Aufforderung zur Eingabe einer Nutzerrückmeldung ausgegeben und/oder eine Standardeinstellung und/oder ein vorbestimmter Initialzustand eingestellt wird.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Sendeeinrichtung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Sendeeinrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.

Beispielsweise kann die Detektionsvorrichtung für ein Fahrzeugführungssystem ausgebildet sein. Daher betrifft ein Aspekt auch ein elektronisches Fahrzeugführungssystem mit einer entsprechenden Detektionsvorrichtung. Unter einem elektronischen Fahrzeugführungssystem kann ein elektronisches System verstanden werden, das dazu eingerichtet ist, ein Fahrzeug vollautomatisch oder vollautonom zu führen, insbesondere ohne dass ein Eingriff in eine Steuerung durch einen Fahrer erforderlich ist. Das Fahrzeug führt alle erforderlichen Funktionen, wie Lenk-, Brems- und/oder Beschleunigungsmanöver, die Beobachtung und Erfassung des Straßenverkehrs sowie entsprechende Reaktionen automatisch durch. Insbesondere kann das elektronische Fahrzeugführungssystem einen vollautomatischen oder vollautonomen Fahrmodus des Kraftfahrzeugs nach Stufe 5 der Klassifizierung gemäß SAE J3016 implementieren. Unter einem elektronischen Fahrzeugführungssystem kann auch ein Fahrerassistenzsystem (englisch: „advanced driver assistance system“, ADAS) verstanden werden, welches den Fahrer beim teilweise automatisierten oder teilautonomen Fahren unterstützt. Insbesondere kann das elektronische Fahrzeugführungssystem einen teilweise automatisierten oder teilautonomen Fahrmodus nach den Stufen 1 bis 4 gemäß der SAE J3016-Klassifizierung implementieren. Hier und im Folgenden bezieht sich „SAE J3016“ auf die entsprechende Norm in der Version vom April 2021.

Die wenigstens teilweise automatische Fahrzeugführung kann es daher beinhalten, das Fahrzeug gemäß eines vollautomatischen oder vollautonomen Fahrmodus der Stufe 5 nach SAE J3016 zu führen. Die wenigstens teilweise automatische Fahrzeugführung kann auch beinhalten, das Fahrzeug gemäß eines teilweise automatisierten oder teilautonomen Fahrmodus nach den Stufen 1 bis 4 nach SAE J3016 zu führen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen können nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen von der Erfindung umfasst sein. Es können insbesondere auch Ausführungen und Merkmalskombinationen von der Erfindung umfasst sein, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten Anspruchs aufweisen. Es können darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen von der Erfindung umfasst, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.

Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt: Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform einer Detektionsvorrichtung mit einer Ausführungsform einer Sendeeinrichtung;

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform der Sendeeinrichtung; und

Fig. 3 ein nochmals weiteres schematisches Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform der Sendeeinrichtung.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.

In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs 1. Das Kraftfahrzeug 1 kann dabei als zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug 1 oder auch als vollelektrisch betriebenes Kraftfahrzeug 1 ausgebildet sein. Insbesondere kann das Kraftfahrzeug 1 auch als zumindest teilweise assistiert betriebenes Kraftfahrzeug 1 oder auch als vollassistiert betriebenes Kraftfahrzeug 1 ausgebildet sein. Das Kraftfahrzeug 1 weist zumindest eine Detektionsvorrichtung 2 auf. Die Detektionsvorrichtung 2 ist insbesondere zum Detektieren beziehungsweise Erfassen einer Umgebung 3 ausgebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in der Umgebung 3 ein Objekt 4. Die Detektionsvorrichtung 2 weist hierzu eine Sendeeinrichtung 5, eine Empfangseinrichtung 6 sowie eine elektronische Recheneinrichtung 7 auf, welche beispielsweise zum Auswerten eines Sendesignals 8 in Relation zu einem Empfangssignal 9, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel an dem Objekt 4 reflektiert wurde, ausgewertet werden kann.

Die Detektionsvorrichtung 2 kann bevorzugt als Radareinrichtung ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann die Detektionsvorrichtung 2 auch als Lidareinrichtung ausgebildet sein. Nochmal alternativ oder ergänzend kann das vorgestellte Verfahren im Wesentlichen auch für eine funkbasierte Kommunikation ausgebildet sein.

Die Fig. 1 zeigt insbesondere das Sendesignal 8, welches insbesondere auch als frequenzmoduliertes Sendesignal 8 bezeichnet werden kann. Das frequenzmodulierte Sendesignal 8 wird vorliegend, wie bereits erwähnt, am Objekt 4 reflektiert und als Empfangssignal 9 von der Empfangseinrichtung 6 empfangen. Auf Basis beispielsweise von entsprechenden Phasenunterschieden oder dergleichen kann sowohl ein Abstand sowie beispielsweise auch auf Basis eines Dopplereffekts die Geschwindigkeit des Objekts 4 detektiert werden.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform der Sendeeinrichtung 5. Die Sendeeinrichtung 5 ist insbesondere zum Erzeugen des frequenzmodulierten Sendesignals 8 und zum Aussenden des Sendesignals 8 in die Umgebung 3 ausgebildet. Hierbei wird mittels einer optischen modengekoppelten Quelle 10 ein Frequenzkamm 11 erzeugt. Es erfolgt das Filtern einer Frequenzlinie 12 in dem erzeugten Frequenzkamm 11 mittels einer ersten optischen Filtereinrichtung 13 der Sendeeinrichtung 5. Es wird das frequenzmodulierte Sendesignal 8 mittels einer Photodiode 14 in Abhängigkeit von dem gefilterten Frequenzkamm 11 erzeugt, wobei das frequenzmodulierte Sendesignal 8 proportional zum Frequenzunterschied zur gefilterten Frequenzlinie 12 ist.

Das vorgestellte Ausführungsbeispiel zeigt insbesondere, dass eine zweite optische Filtereinrichtung 16 vorgesehen sein kann, wobei mittels der zweiten optischen Filtereinrichtung 16 zumindest eine weitere Frequenzlinie 17 gefiltert werden kann.

Ferner ist gezeigt, dass beispielsweise mittels der ersten optischen Filtereinrichtung 13 sowie auch vorliegend mittels der zweiten optischen Filtereinrichtung 16 zumindest eine weitere Frequenzlinie 12, 17 gefiltert wird.

Es ist ferner gezeigt, dass insbesondere ein Einstellen der ersten optischen Filtereinrichtung 13 und/oder der zweiten optischen Filtereinrichtung 16 über die elektronische Recheneinrichtung 7 erfolgen kann. Das Einstellen kann vorliegend insbesondere auch als so genanntes Tuning bezeichnet werden. Die elektronische Recheneinrichtung kann beispielsweise auch zum erzeugen des Frequenzkamms 11 mit der optischen modengekoppelten Quelle 10 gekoppelt sein. Ferner zeigt die Fig. 2, dass mittels eines optischen dispersiven Elements 18 der Sendeeinrichtung 5 zumindest zwei Frequenzlinien 12, 17 näher zusammengeführt werden können oder mittels des optischen dispersiven Elements 18 zumindest zwei Frequenzlinien 12, 17 weiter auseinandergezogen werden.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist insbesondere gezeigt, dass das dispersive Element 18 im Strahlengang nach der ersten optischen Filtereinrichtung 13 und/oder der zweiten optischen Filtereinrichtung 16 angeordnet wird.

Fig. 3 zeigt eine weitere schematische Ausführungsform der Sendeeinrichtung 7. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist gegenüber der Fig. 2 insbesondere geändert, dass das dispersive Element 18 im Strahlengang vor der ersten optischen Filtereinrichtung 13 und/oder der zweiten optischen Filtereinrichtung 16 angeordnet ist.

Es kann ferner vorgesehen sein, dass als frequenzmoduliertes Sendesignal 8 eine Frequenzrampe erzeugt wird. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Photodiode 14 insbesondere für eine heterodyne Detektion ausgebildet ist. Alternativ oder ergänzend kann die Photodiode 14 auch für eine homodyne Detektion ausgebildet sein.

Insbesondere kann somit vorgesehen sein, dass die optische modengekoppelte Quelle 10 den Frequenzkamm 11 erzeugt. Aus diesem Frequenzkamm 11 kann eine endliche Anzahl von Frequenzlinien 12, 17 herausgefiltert und die Auswahl der Linien entsprechend separiert werden. Je nach Repetitionsfrequenz der optischen modengekoppelten Quelle 10 können mittels des optionalen dispersiven Elements 18 die ausgewählten Frequenzlinien 12, 17 näher zusammengeführt oder weiter auseinandergezogen werden. In der Photodiode 14 wird dann das Sendesignal 8 erzeugt, welches proportional zum Frequenzunterschied der ausgewählten Linien ist.

Insbesondere kann mit der vorgestellten Sendeeinrichtung 5 mittels der optischen modengekoppelten Quelle 10 eine beliebige Modulation zum Beispiel einer FMCW-Rampe erzeugt werden. Bei der FMCW-Rampe handelt es sich insbesondere um eine frequenzmodulierte kontinuierliche Welle-Rampe (Frequence Modulated Continuous Wave). Dieses Signal ist aufgrund seiner Erzeugungsart phasenstabilisiert und daher sehr vorteilhaft, insbesondere bei Kraftfahrzeugen 1, einsetzbar.

Insgesamt zeigen die Fig. 1 bis 3 ein System zur Erzeugung von frequenzmodulierten Signalen mittels des Frequenzkamms 11. Bezugszeichenliste

Kraftfahrzeug

Detektionsvorrichtung

Umgebung

Objekt

Sendeeinrichtung

Empfangseinrichtung elektronische Recheneinrichtung Sendesignal

Empfangssignal optische modengekoppelte Quelle

Frequenzkamm

Frequenzlinie erste optische Filtereinrichtung

Photodiode gefilterter Frequenzkamm zweite optische Filtereinrichtung weitere Frequenzlinie dispersives Element

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Erzeugen eines frequenzmodulierten Sendesignals (8) für eine Sendeeinrichtung (5) einer Detektionsvorrichtung (2) zum Aussenden des frequenzmodulierten Sendesignals (8) in eine Umgebung (3) der Detektionsvorrichtung (2), mit den Schritten:

Erzeugen eines Frequenzkamms (11) mittels einer optischen modengekoppelten Quelle (10) der Sendeeinrichtung (5);

Filtern von zumindest einer Frequenzlinie (12) in dem erzeugten Frequenzkamm (11) mittels einer ersten optischen Filtereinrichtung (13) der Sendeeinrichtung (5); und

Erzeugen des frequenzmodulierten Sendesignals (8) mittels einer Photodiode

(14) der Sendeeinrichtung (5) in Abhängigkeit von dem gefilterten Frequenzkamm

(15), wobei das frequenzmodulierte Sendesignal (8) proportional zum Frequenzunterschied zur gefilterten Frequenzlinie (12) erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite optische Filtereinrichtung (16) bereitgestellt wird, wobei mittels der zweiten optischen Filtereinrichtung (16) zumindest eine weitere Frequenzlinie (17) gefiltert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der ersten optischen Filtereinrichtung (13) zumindest eine nochmals weitere Frequenzlinie (17) gefiltert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines optischen dispersiven Elements (18) der Sendeeinrichtung (5) zumindest zwei Frequenzlinien (12) näher zusammengeführt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines optischen dispersiven Elements (18) der Sendeeinrichtung (5) zumindest zwei Frequenzlinien (12) weiter auseinandergezogen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive Element (18) im Strahlengang nach der ersten optischen Filtereinrichtung (13) angeordnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive Element (18) im Strahlengang vor der ersten optischen Filtereinrichtung (13) angeordnet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als frequenzmoduliertes Sendesignal (8) eine Frequenzrampe erzeugt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Photodiode (14) eine heterodyne Detektion durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsvorrichtung (2) als photonische Radarvorrichtung oder als Lidarvorrichtung bereitgestellt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsvorrichtung (2) für ein Kraftfahrzeug (1) und/oder für eine Produktionsanlage bereitgestellt wird.

12. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, welche eine elektronische Recheneinrichtung (7) dazu veranlassen, wenn die Programmcodemittel von der elektronischen Recheneinrichtung (7) abgearbeitet werden, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen.

13. Computerlesbares Speichermedium mit zumindest einem Computerprogrammprodukt nach Anspruch 12.

14. Sendeeinrichtung (5) für eine Detektionsvorrichtung (2) zum Erzeugen eines frequenzmodulierten Sendesignals (8) zum Aussenden des frequenzmodulierten Sendesignals (8) in eine Umgebung (3) der Detektionsvorrichtung (2), mit zumindest einer optischen modengekoppelten Quelle (10), mit einer ersten optischen Filtereinrichtung (13) und mit einer Photodiode (14), wobei die Sendeeinrichtung (5) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.

15. Detektionsvorrichtung (2) mit zumindest einer Sendeeinrichtung (5) nach Anspruch 14 und mit einer Empfangseinrichtung (6).