DE102024128423A1 - Lidar device and method for operating a lidar device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lidar-Vorrichtung Lidar-Vorrichtung zur Erfassung einer Umgebung eines Fahrzeugs (10), wobei die Lidar-Vorrichtung folgendes aufweist: mindestens einen Laser (24), der zum Emittieren von Laserlicht vorgesehen ist, mindestens einen optischen Kopf (12) zum Aussenden des Laserlichts in die Umgebung und zum Empfangen von Laserlicht, welches von der Umgebung reflektiert wurde, mindestens einen Detektor, der dazu vorgesehen ist, empfangenes Laserlicht in elektrische Signale umzuwandeln.
Erfindungsgemäß ist eine Lidar-Zentraleinheit (14) vorgesehen, in welcher der mindestens eine Laser (24) und der mindestens eine Detektor angeordnet sind.
Zwischen den optischen Köpfen (24) und der Lidar-Zentraleinheit sind optische Glasfaserverbindungen (70, 72) angeordnet, welche dazu ausgebildet sind, emittiertes Laserlicht vom dem mindestens einen Laser (24) zu den optischen Köpfen (12) und / oder empfangenes Laserlicht von den optischen Köpfen (12) zu dem mindestens einen Detektor zu leiten.
The present invention relates to a lidar device for detecting the environment of a vehicle (10), wherein the lidar device comprises: at least one laser (24) provided for emitting laser light, at least one optical head (12) for emitting the laser light into the environment and for receiving laser light reflected from the environment, and at least one detector provided for converting received laser light into electrical signals.
According to the invention, a lidar central unit (14) is provided in which the at least one laser (24) and the at least one detector are arranged.
Optical fiber connections (70, 72) are arranged between the optical heads (24) and the lidar central unit, which are designed to guide emitted laser light from the at least one laser (24) to the optical heads (12) and/or received laser light from the optical heads (12) to the at least one detector.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lidar-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Lidar-Vorrichtung gemäß Anspruch 12.The present invention relates to a lidar device according to the preamble of claim 1, and to a method for operating a lidar device according to claim 12.
Eine gattungsgemäße Lidar-Vorrichtung dient der Erfassung einer Umgebung eines Fahrzeugs. Bekannte gattungsgemäße Lidar-Vorrichtungen senden gepulst oder kontinuierlich Laserstrahlen aus und empfangen von der Umgebung reflektiertes Laserlicht, wobei dieses von einem Detektor in elektrische Signale umgewandelt wird. Beim Flugzeit-Messverfahren wird aus der Laufzeit Lichtimpulsen die Distanz zwischen der Lidar-Vorrichtung und einem Objekt in der Umgebung berechnet. Bei der Nutzung von quasi-kontinuierlichem frequenzmoduliertem Licht, erfolgt die Distanzbestimmung aus der Bestimmung von Frequenzunterschieden. Erfasste Reflexionspunkte werden in einer Lidar-Punktewolke zusammengefasst, die als eine Repräsentation der Umgebung gespeichert, und durch einen zyklischen Scanprozess der Lidar-Vorrichtung kontinuierlich aufgefrischt wird.A lidar device of this type is used to detect the surroundings of a vehicle. Known lidar devices emit pulsed or continuous laser beams and receive laser light reflected from the environment, which is then converted into electrical signals by a detector. In the time-of-flight measurement method, the distance between the lidar device and an object in the environment is calculated from the travel time of light pulses. When using quasi-continuous frequency-modulated light, the distance is determined by measuring frequency differences. Detected reflection points are compiled into a lidar point cloud, which is stored as a representation of the environment and is continuously updated by a cyclical scanning process of the lidar device.
Eine gattungsgemäße Lidar-Vorrichtung weist daher mindestens einen Laser auf, der zum Emittieren von Laserlicht vorgesehen ist. Eine gattungsgemäße Lidar-Vorrichtung weist ferner mindestens einen optischen Kopf auf zum Aussenden des Laserlichts in die Umgebung und zum Empfangen von Laserlicht, welches von der Umgebung reflektiert wurde, sowie mindestens einen Detektor, der dazu vorgesehen ist, empfangenes Laserlicht in elektrische Signale umzuwandeln.A lidar device of this type therefore comprises at least one laser designed to emit laser light. A lidar device of this type further comprises at least one optical head for emitting laser light into the environment and for receiving laser light reflected from the environment, as well as at least one detector designed to convert received laser light into electrical signals.
Sowohl der Laser als auch der Detektor sind bei bekannten Lidar-Vorrichtungen im optischen Kopf integriert. Solche bekannten optischen Köpfe haben in der Regel ein zweidimensionales Scanvermögen, erlauben also ein Scannen in horizontaler und vertikaler Richtung. Wenn mehr als ein optischer Kopf zum Einsatz kommt, wird deren Einbauposition meist so gewählt, dass sich die Bereiche im Wesentlichen ergänzen und möglichst eine 360°-Abdeckung um das Fahrzeug erreicht wird.In known lidar devices, both the laser and the detector are integrated into the optical head. These optical heads typically have a two-dimensional scanning capability, allowing scanning in both horizontal and vertical directions. When more than one optical head is used, their installation positions are usually chosen so that their coverage areas essentially complement each other, achieving as close to 360° coverage around the vehicle as possible.
Die Baugröße bekannter optischer Köpfe von Lidar-Vorrichtungen ist allerdings vergleichsweise groß, da der Laser, der Detektor und eine Scaneinheit Platz finden müssen. Zusätzlich wird die notwendige Elektronik ebenfalls im optischen Kopf untergebracht. Ein solcher bekannter optischer Kopf generiert aufgrund dieser Komponenten relative viel Abwärme. Typisch sind hier beispielsweise 20 bis 30 Watt an Wärmeleistung. Dadurch kommt es zu einer erheblichen Erwärmung des Bauraums. Ein solcher optischer Kopf kann aber nur bis zu einer maximalen Temperatur betrieben werden, die nicht beliebig anhebbar ist. Eine solche maximale Betriebstemperatur hängt von der temperaturabhängigen Effizienz des Lasers ab, dem temperaturabhängigen Rauschen der Detektoren sowie der maximal zulässigen Betriebstemperaturen der verbauten Halbleiter-Bauelemente. Diese Faktoren limitieren die Möglichkeiten der Auswahl von Einbaupositionen und erfordern ein aufwändiges Thermomanagement des Bauraums und der Komponenten.The size of known optical heads for lidar devices is comparatively large, as the laser, detector, and scanning unit must be accommodated. The necessary electronics are also housed within the optical head. Such a known optical head generates a relatively large amount of waste heat due to these components. Typically, this amounts to 20 to 30 watts of heat output. This results in a significant increase in the temperature of the installation space. However, such an optical head can only operate up to a maximum temperature, which cannot be raised arbitrarily. This maximum operating temperature depends on the temperature-dependent efficiency of the laser, the temperature-dependent noise of the detectors, and the maximum permissible operating temperatures of the installed semiconductor components. These factors limit the available installation positions and necessitate sophisticated thermal management of the installation space and the components.
Eine Datenvorverarbeitung ist bei bekannten Systemen ebenfalls im Lidar-Kopf integriert, und die generierten Datenmengen kann die Kapazität existierender Datenleitung übersteigen. Elektrische Datenleitungen stellen somit einen limitierenden Faktor dar und bedürfen aufwändiger Abschirmmaßnahmen.In known systems, data preprocessing is also integrated into the lidar head, and the generated data volumes can exceed the capacity of existing data lines. Electrical data lines therefore represent a limiting factor and require elaborate shielding measures.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lidar-Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Lidar-Vorrichtung zu schaffen, bei welcher diese Probleme gelöst werden.It is therefore the object of the present invention to provide a lidar device and a method for operating a lidar device in which these problems are solved.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Lidar-Vorrichtung gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer Lidar-Vorrichtung gemäß Anspruch 12.This problem is solved by a lidar device according to the characterizing feature of claim 1 and by a method for operating a lidar device according to claim 12.
Bei einer erfindungsgemäßen Lidar-Vorrichtung gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 1 ist eine Lidar-Zentraleinheit vorgesehen, in welcher der mindestens ein Laser und der mindestens ein Detektor angeordnet sind.In a lidar device according to the invention as defined in claim 1, a lidar central unit is provided in which the at least one laser and the at least one detector are arranged.
Die Lidar Vorrichtung weist einen oder mehrere optische Köpfe auf und zwischen den optischen Köpfen und der Lidar-Zentraleinheit sind optische Glasfaserverbindungen angeordnet, welche dazu ausgebildet sind, emittiertes Laserlicht vom dem mindestens einen Laser zu den optischen Köpfen und / oder empfangenes Laserlicht von den optischen Köpfen zu dem-mindestens einen Detektor zu leiten.The lidar device has one or more optical heads and optical fiber connections are arranged between the optical heads and the lidar central unit, which are designed to guide emitted laser light from the at least one laser to the optical heads and/or received laser light from the optical heads to the at least one detector.
Eine solche optische Glasfaserverbindung, auch Glasfaserkabel genannt, ist ein Lichtleiter, welcher Licht in einer oder üblicherweise auch mehreren Glasfasern übertragen kann. Diese optische Glasfaserverbindungen sind dazu vorgesehen, vom Laser emittiertes Laserlicht zum optischen Kopf und/oder empfangenes Laserlicht vom optischen Kopf zum Detektor zu leiten. Eine entsprechende Glasfaserverbindung wird also Laserlicht entweder in eine Richtung oder in beiden Richtungen leiten. Auf den Wegen des Laserlichts zwischen Laser und optischem Kopf und zwischen optischen Kopf und Detektor können - insbesondere innerhalb der Lidar-Zentraleinheit - auch weitere lichtleitende Elemente vorgesehen sein, sodass eine Glasfaserverbindung nicht unbedingt einstückig vom Laser direkt in den optischen Kopf oder vom optischen Kopf zum Detektor geführt sein muss.Such an optical fiber connection, also called a fiber optic cable, is a light guide that can transmit light in one or, more commonly, several optical fibers. These optical fiber connections are designed to guide laser light emitted by the laser to the optical head and/or received laser light from the optical head to the detector. A corresponding fiber optic connection will therefore guide laser light either in one direction or in both directions. Along the paths of the laser light between the laser and the optical head and between the optical head and the detector—particularly within the lidar central processing unit—additional light-guiding elements may be incorporated, meaning that a fiber optic connection does not necessarily run directly from the laser in one piece. must be guided into the optical head or from the optical head to the detector.
Eine solche gattungsgemäße Lidar-Vorrichtung bietet verschiedenste Vorteile. Einerseits werden die optischen Köpfe der Lidar-Vorrichtung bezüglich des benötigten Bauraums zum Einbau in das Fahrzeug radikal verkleinert, da die Lichtquelle in Form des Lasers und der Detektor nicht mehr im optischen Kopf selbst verbaut sind. Diese Bauteile sind in die Lidar-Zentraleinheit verlagert. Neben der Reduzierung des Bauraums werden auch zahlreiche Wärmequelle vom optischen Kopf weg verlagert. Wärmequellen sind insbesondere die Lichtquellen in Form des Lasers, die Treiberschaltungen zum Betrieb von Laser und Detektor, sowie Schaltkreise für eine Vorverarbeitung von elektrischen Daten, welche aus dem reflektierten Laserlicht gewonnen werden.Such a lidar device of this type offers a variety of advantages. Firstly, the optical heads of the lidar device are radically miniaturized in terms of the installation space required for vehicle integration, since the light source (laser) and the detector are no longer housed within the optical head itself. These components are integrated into the lidar central unit. In addition to the reduction in installation space, numerous heat sources are also relocated away from the optical head. These heat sources include, in particular, the laser light source, the driver circuits for operating the laser and detector, and circuits for preprocessing the electrical data derived from the reflected laser light.
Eine Strahlablenkungseinheit oder ein Scanner kann zwar weiterhin im optischen Kopf verbaut sein, aber auch die notwendige Elektronik zur Ansteuerung einer solchen Strahlablenkungseinheit kann in die Lidar-Zentraleinheit verlagert werden.A beam deflection unit or scanner can still be installed in the optical head, but the necessary electronics for controlling such a beam deflection unit can also be moved to the lidar central unit.
Da auf der Strecke zwischen dem optischen Kopf und der Lidar-Zentraleinheit die Nutzsignale in optische Form übertragen werden, werden die Anforderungen an ein EMC (Electro Magnetic Compatibility) Abschirmung reduziert: Eine solche Abschirmung ist für den Anteil der optischen Signalübertragung nicht relevant; sondern lediglich noch für nach wie vor vorhandene elektronische Leitungen. Hier handelt es sich dann aber nicht mehr um besonders zu abzuschirmende Leitungen hoher Datenübertragungsgeschwindigkeit, sondern um gewöhnliche Datenleitungen z.B. zur Steuerung der Strahlablenkungseinheit. Es werden daher weniger Hochgeschwindigkeitsdatenverbindungen zur Übermittlung von hochfrequenten elektrischen Daten benötigt. Im Gegensatz zur Verwendung von Hochgeschwindigkeitsdatenverbindungen besteht bei einer erfindungsgemäßen Lidar-Vorrichtung auch praktisch keine Obergrenze für die Länge der verwendeten Glasfaserverbindung.Since the useful signals are transmitted optically between the optical head and the lidar central unit, the requirements for EMC (Electromagnetic Compatibility) shielding are reduced: Such shielding is not relevant for the optical signal transmission component, but only for the remaining electronic lines. These are no longer high-speed data transmission lines requiring special shielding, but rather ordinary data lines, e.g., for controlling the beam deflection unit. Therefore, fewer high-speed data connections are needed for transmitting high-frequency electrical data. In contrast to the use of high-speed data connections, there is also practically no upper limit to the length of the fiber optic connection used in a lidar device according to the invention.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Lidar-Vorrichtung, wird Laserlicht von einem oder mehreren Lasern einer Lidar-Zentraleinheit emittiert. Das emittierte Laserlicht wird über Glasfaserverbindungen einem oder einer Mehrzahl von optischen Köpfen zugeführt und von diesen in eine Umgebung abgestrahlt. Von der Umgebung reflektiertes Laserlicht wird von dem oder den optischen Köpfen empfangen und über die oder über weitere Glasfaserverbindungen der Lidar-Zentraleinheit zugeführt und von mindestens einem Detektor der Lidar-Zentraleinheit in elektrische Signale umgewandelt. Laserlicht, welches von einem optischen Kopf in die Umgebung abgestrahlt und von dieser reflektiert wird, wird von demselben und / oder von einem oder einer Mehrzahl von anderen optischen Köpfen empfangen.In a method according to the invention for operating a lidar device, laser light is emitted by one or more lasers of a lidar central unit. The emitted laser light is supplied via fiber optic connections to one or more optical heads and emitted by these into an environment. Laser light reflected from the environment is received by the optical head(s) and supplied to the lidar central unit via the same or further fiber optic connections and converted into electrical signals by at least one detector of the lidar central unit. Laser light emitted by an optical head into the environment and reflected by it is received by the same optical head and/or by one or more other optical heads.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich neben der bereits aufgeführten Vorteilen der Erfindung Redundanzen, wenn beispielsweise ein bestimmter optischer Kopf durch Verschmutzung so abgedeckt ist, dass er vielleicht noch Laserlicht aussenden, aber nicht mehr die deutlich schwächere Intensität von reflektiertem Laserlicht verwertbar empfangen kann. Die Redundanz ist somit dadurch gegeben, dass reflektiertes Licht eines zu erfassendes Objekt, das von einem der optischen Köpfe ausgehend beleuchtet wurde, von mehreren optischen Köpfen empfangen werden kann.In a method according to the invention, redundancies arise in addition to the advantages already mentioned, for example, if a particular optical head is covered by contamination to such an extent that it may still emit laser light, but can no longer usably receive the significantly weaker intensity of reflected laser light. The redundancy is thus provided by the fact that reflected light from an object to be detected, which was illuminated by one of the optical heads, can be received by several optical heads.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Preferred embodiments of the present invention are set forth in the dependent claims.
Bei einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist jeder optische Kopf eine Scaneinrichtung zum räumlichen Abtasten der Umgebung auf. Die Scaneinrichtung kann optische Phasenschieber, sogenannte Optical Phased Arrays (OPA) beinhalten, die von der Lidar-Zentraleinheit ansteuerbar sind. Die biete verschiedene Vorteile. Bekannte Lidar-Vorrichtungen weisen Laserscanner auf, die auf einer mechanischen Strahlablenkung mit beweglichen optischen Komponenten beruhen, wie beispielsweise rotierende Spiegel oder auf einem Chip integrierte kippbare Mikrospiegel. Phased-Array-Antennen sind aus dem Radarbereich bekannt. Hierzu notwendige Elemente, welche die Phasen der einzelnen Antennen steuern können, also beispielsweise Phasenschieber, können auch in sogenannten photonischen Schaltkreisen realisiert werden. Dies bietet den Vorteil, dass eine nichtmechanische Strahlverschwenkung realisierbar ist, bei denen sämtliche Komponenten auf einem einzelnen Chip integriert sind. Demonstriert wurden bereits Optical Phased Arrays mit Komponenten wie Laser, Wellenleiter, Strahlteiler, Beugungsgitter, Phasenschieber und Amplitudenregler, die mittels gängiger Chipfertigungsverfahren hergestellt werden. Optische Phasenschieber können beispielsweise dadurch realisiert werden, dass thermooptische Eigenschaften genutzt werden, wobei mittels mikroskopischer elektrischer Heizelemente an Wellenleitern deren Brechungsindex manipuliert und somit Phasenverschiebungen aufgrund der geänderten optischen Weglänge zwischen unterschiedlichen Emittern bewirkt werden kann.In a first preferred embodiment of the present invention, each optical head has a scanning device for spatially scanning the environment. The scanning device can include optical phase shifters, so-called Optical Phased Arrays (OPAs), which can be controlled by the lidar central unit. This offers several advantages. Known lidar devices have laser scanners that are based on mechanical beam deflection with movable optical components, such as rotating mirrors or tiltable micromirrors integrated on a chip. Phased-array antennas are known from the radar field. The necessary elements for controlling the phases of the individual antennas, such as phase shifters, can also be implemented in so-called photonic circuits. This offers the advantage that non-mechanical beam steering is possible, with all components integrated on a single chip. Optical phased arrays with components such as lasers, waveguides, beam splitters, diffraction gratings, phase shifters, and amplitude controllers, manufactured using common chip manufacturing processes, have already been demonstrated. Optical phase shifters can be realized, for example, by utilizing thermo-optical properties, whereby the refractive index of waveguides can be manipulated by means of microscopic electrical heating elements, thus causing phase shifts due to the changed optical path length between different emitters.
Der von einem optischen Kopf benötigte Bauraum wird durch die Verwendung von optischen Chips und/oder optischen Phasenschiebern gegenüber bekannten Lösungen mit mechanisch verschwenkbaren Spiegeln oder Scannern deutlich verringert. Da ein solches optisches Optical Phased Array im Gegensatz zu bekannten Lidar-Vorrichtungen keine 360°-Erfassung ermöglicht, sondern dies allein aus geometrischen Gründen maximal 180° sein kann, ist für die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kein Nachteil, da mehrere optische Köpfe vorgesehen sein können, deren Erfassungsbereiche sich ergänzen.The installation space required by an optical head is reduced by using optical chips and/or optical phase shifters compared to known solutions with mechanically limited space. The limitations of swiveling mirrors or scanners are significantly reduced. Since such an optical phased array, unlike known lidar devices, does not enable 360° detection, but rather, for geometric reasons alone, can only achieve a maximum of 180°, this is not a disadvantage for the embodiments of the present invention, as several optical heads can be provided whose detection ranges complement each other.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Verbindung zwischen der Lidar-Zentraleinheit und der Scaneinrichtung vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, Steuersignale von der Lidar-Zentraleinheit an die Scaneinrichtung zu übermitteln. Da dann lediglich Steuersignale über die elektrische Verbindung übertragen werden, und nicht von einem Detektor im optischen Kopf generierte Nutzsignale, brauchen für diese elektrischen Verbindungen nur weniger komplexe Abschirmmaßnahmen vorgesehen sein.In a further preferred embodiment of the present invention, an electrical connection is provided between the lidar central unit and the scanning device, which is configured to transmit control signals from the lidar central unit to the scanning device. Since only control signals are transmitted via the electrical connection, and not useful signals generated by a detector in the optical head, less complex shielding measures are required for these electrical connections.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass hierzu die Glasfaserverbindungen genutzt werden, wobei dann die Steuersignale optischer Natur sind. Werden die Glasfaserverbindungen, welche primär dazu genutzt werden, emittiertes und reflektiertes Laserlicht zu leiten, so auch dazu genutzt, Datenübertragung auf optischer Ebene zu betreiben, so wird dies vorzugsweise in einem vom Lidar-Nutzlicht getrennten spektralen Bereich oder in einem anderen Polarisationszustand geschehen, um „Datenlicht“ von „Lidarlicht“ ausreichend gut trennen zu können. Hierzu würden polarisationserhaltende Glasfasern zum Einsatz kommen.Alternatively, fiber optic connections can be used for this purpose, in which case the control signals are optical in nature. If the fiber optic connections, which are primarily used to transmit emitted and reflected laser light, are also used for data transmission at the optical level, this will preferably occur in a spectral range separate from the lidar light or in a different polarization state in order to adequately separate "data light" from "lidar light." Polarization-maintaining optical fibers would be used for this purpose.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der einzelne Laser oder sind mehrere in der Zentraleinheit angeordnete Laser vorgesehen, um Laserlicht zu emittieren, welches an eine Mehrzahl von optischen Köpfen verteilbar ist, wobei die Anzahl von optischen Köpfen vorzugsweise größer ist als die Anzahl der Laser. Die Lichtquelle wird daher zentralisiert und gegebenenfalls modular ausgeführt. Dies bedeutet, dass ein einzelner Laser leistungsstark gewählt werden kann, um mehrere oder alle optischen Köpfe gleichzeitig mit Laserlicht zu versorgen. Je nach Anzahl der vorgesehenen optischen Köpfe, die beispielsweise mittels optischer Steckverbindung einfach an die Lidar-Zentraleinheit angeschlossen werden können, kann bei modularer Bauweise der Lichtquelle durch das Hinzufügen weiterer Laser jeder optische Kopf an einem idealen Betriebspunkt geführt werden.In a further preferred embodiment of the present invention, a single laser or several lasers arranged in the central unit are provided to emit laser light that can be distributed to a plurality of optical heads, wherein the number of optical heads is preferably greater than the number of lasers. The light source is therefore centralized and optionally designed modularly. This means that a single laser can be selected to be powerful enough to supply several or all optical heads with laser light simultaneously. Depending on the number of optical heads provided, which can be easily connected to the lidar central unit, for example, by means of an optical connector, each optical head can be guided at an ideal operating point by adding further lasers, given the modular design of the light source.
Die optische Glasfaserverbindung zwischen einem optischen Kopf und Lidar-Zentraleinheit kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Bei einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine erste optische Glasfaserverbindung zwischen jedem optischen Kopf und der Lidar-Zentraleinheit vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, emittiertes Laserlicht zum optischen Kopf zu leiten. Zwischen jedem optischen Kopf und der Lidar-Zentraleinheit ist ferner eine zweite optische Glasfaserverbindung vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, empfangenes Licht vom optischen Kopf zur Lidar-Zentraleinheit zu leiten. Mit anderen Worten ist also für die Hin- und Zurückführung des Lichts jeweils eine Glasfaserverbindung vorgesehen. The optical fiber connection between an optical head and the lidar central unit can be implemented in different ways. In a first embodiment of the present invention, a first optical fiber connection is provided between each optical head and the lidar central unit, which is configured to guide emitted laser light to the optical head. A second optical fiber connection is also provided between each optical head and the lidar central unit, which is configured to guide received light from the optical head to the lidar central unit. In other words, a fiber optic connection is provided for both the forward and return transmission of the light.
Alternativ ist jeder optische Kopf mit nur einer optischen Glasfaserverbindung verbunden, welche dazu ausgebildet ist, sowohl das emittierte Laserlicht zum optischen Kopf zu leiten, als auch vom optischen Kopf empfangenes Laserlicht zur Lidar-Zentraleinheit. Zur Trennung von emittiertem und reflektiertem Licht können polarisierende oder sonstige Strahlteiler verwendet werden, die innerhalb der Lidar-Zentraleinheit angeordnet sein können. Dabei kann ausgenutzt werden, dass das emittierte Laserlicht mit einer festgelegten Polarisation, beispielsweise in einer Ebene linear polarisiert ausgesendet wird, während das empfangene reflektierte Laserlicht andere Polarisationszustände einnimmt. In dieser Ausprägung würden dann zwingend polarisationserhaltende Glasfasern zum Einsatz kommen.Alternatively, each optical head is connected by a single optical fiber connection, designed to both guide the emitted laser light to the optical head and the laser light received from the optical head to the lidar central unit. Polarizing or other beam splitters, which can be located within the lidar central unit, can be used to separate the emitted and reflected light. This approach takes advantage of the fact that the emitted laser light is transmitted with a defined polarization, for example, linearly polarized in one plane, while the received reflected laser light exhibits different polarization states. In this configuration, polarization-maintaining optical fibers would be mandatory.
Weiter bevorzugt ist eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei welcher in der Lidar-Zentraleinheit oder zwischen der Lidar-Zentraleinheit und einem oder jedem der optischen Köpfe optische Verzögerungsleitungen, oft als „Delay Lines“ bezeichnet, vorgesehen sind. Dies bietet den Vorteil, dass ein Zeit-Multiplexverfahren angewendet werden kann. Bei einem Zeit-Multiplexverfahren werden Daten entweder in einem festen Takt oder in Zeitabschnitten mit variabler Länge (asynchrones Zeit-Multiplex) gesendet. In der Datenkommunikation werden dabei Pakete verschiedener Benutzer abwechselnd gesendet, so dass es für jeden Benutzer so aussieht, als habe er den Kanal für sich alleine, wenn auch - je nach Auslastung - mit möglicherweise geringer Geschwindigkeit. Im vorliegenden Fall kann ein Zeit-Multiplexverfahren dazu verwendet werden, emittiertes Laserlicht von einem Laser auf mehrere optische Köpfe zeitlich gestaffelt zu verteilen, ohne die Information darüber zu verlieren, von welchem optischen Kopf das ausgesendete Laserlicht stammt. Solche optischen Verzögerungsleitungen sind bekannt und basieren auf optischen Komponenten wie beispielsweise Faserspulen oder ringförmigen Strukturen in der Bauform und Technologie von photonischen Chips. Entsprechende photonische Strukturen können beispielsweise durch Vielfachreflexion die optische Weglänge vergrößern, die das Licht zurücklegt. Das Vorsehen von optischen Verzögerungsleitungen oder Delay Lines bietet aber auch grundsätzlich die Möglichkeit, dass gesteuert werden kann, wann ein optischer Kopf Laserlicht abgibt. So kann beispielsweise dafür gesorgt werden, dass mehrere optische Köpfe gleichzeitig oder mit einem festgelegten zeitlichen Versatz Laserlicht abgeben unabhängig von der Länge der Glasfaserverbindung, mit der sie an die Lidar-Zentraleinheit angebunden sind.A further preferred embodiment of the present invention includes optical delay lines, often referred to as "delay lines," in the lidar central unit or between the lidar central unit and one or each of the optical heads. This offers the advantage of enabling the use of time-division multiplexing (TDM). In TDM, data is transmitted either at a fixed rate or in time intervals of variable length (asynchronous TDM). In data communication, packets from different users are sent alternately, so that each user appears to have exclusive use of the channel, albeit potentially at a lower speed depending on the network load. In the present case, TDM can be used to distribute emitted laser light from a laser to multiple optical heads in a time-staggered manner without losing information about which optical head the emitted laser light originates from. Such optical delay lines are known and are based on optical components such as fiber coils or ring-shaped structures in the form and technology of photonic chips. Appropriate photonic structures can, for example, increase the optical path length traveled by light through multiple reflections. However, the inclusion of optical delay lines also offers the fundamental possibility of controlling when an optical head emits laser light. Thus For example, it can be ensured that several optical heads emit laser light simultaneously or with a defined time offset, regardless of the length of the fiber optic connection with which they are connected to the lidar central unit.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann mindestens ein oder jeder optischer Kopf Laserlicht empfangen, welches von einem anderen oder einer Mehrzahl von anderen optischen Köpfen emittiert und von der Umgebung reflektiert wurde. Dies bietet den Vorteil, dass sich die effektive Empfangsapertur vervielfacht, was einerseits zur Redundanz, andererseits zu einer Erhöhung des Signal- Rauschverhältnis und damit der Erhöhung der Maximalreichweite genutzt werden kann. Zudem dient diese Maßnahme der Verfügbarkeit, da bei einer Verblockung beispielsweise einer Verschmutzung eines optischen Kopfes andere, nicht verblockte Empfänger genutzt werden können.In a further particularly preferred embodiment of the present invention, at least one or each optical head can receive laser light emitted by another or a plurality of other optical heads and reflected by the surroundings. This offers the advantage of multiplying the effective receiving aperture, which can be used both for redundancy and for increasing the signal-to-noise ratio, thereby increasing the maximum range. Furthermore, this measure improves availability, since if an optical head becomes blocked, for example by contamination, other, unblocked receivers can be used.
Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass mindestens ein oder jeder optische Kopf eine Temperaturmessstelle beinhaltet, welche vorzugsweise ausgebildet ist, dass sie temperaturabhängige Nachregelungen von Bauteilen im optischen Kopf, vorzugsweise eines Optical Phased Arrays einer Scaneinrichtung, erlaubt. Optische Phasenschieber eines Optical Phased Arrays können realisiert werden, indem Temperatur- oder Druckabhängigkeiten von Lichtleitern in photonischen Chips gezielt ausgenutzt werden. Dies kann allerdings auch dazu führen, dass Temperaturveränderungen innerhalb eines optischen Kopfes die Scaneinrichtung negativ beeinflussen. Das Vorsehen einer Temperaturmessstelle bietet daher den Vorteil, dass entsprechende Nachregelungen vorgenommen werden können.It is further preferably provided that at least one or each optical head includes a temperature measuring point, which is preferably configured to allow temperature-dependent adjustments of components within the optical head, preferably of an optical phased array of a scanning device. Optical phase shifters of an optical phased array can be implemented by selectively exploiting temperature or pressure dependencies of optical fibers in photonic chips. However, this can also lead to temperature changes within an optical head negatively affecting the scanning device. Therefore, providing a temperature measuring point offers the advantage that appropriate adjustments can be made.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind in der Lidar-Zentraleinheit Amplitudenweichen vorgesehen, mittels derer die Intensität an emittiertem Licht, die den optischen Köpfen und/oder den optischen Glasfaserverbindungen zugeführt und von diesen empfangen werden, zu steuern. Dies bietet den Vorteil, dass die Lichtintensität, die durch eine Glasfaserverbindung geführt wird, bedarfsgerecht gesteuert werden kann.In a further preferred embodiment of the present invention, amplitude switches are provided in the lidar central unit by means of which the intensity of emitted light supplied to and received by the optical heads and/or the optical fiber connections can be controlled. This offers the advantage that the light intensity transmitted through a fiber optic connection can be controlled as required.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die optischen Glasfaserverbindungen auch zur optischen Datenübertragung nutzbar ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, dass die Anzahl der benötigten elektrischen Verbindungen reduziert werden kann, indem beispielsweise Signale zur Steuerung der Scaneinrichtung in den optischen Köpfen auf optischem Wege übermittelt werden können.In a further preferred embodiment of the present invention, the optical fiber connections are also designed for optical data transmission. This offers the advantage that the number of required electrical connections can be reduced, for example by transmitting signals for controlling the scanning device in the optical heads optically.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird in jedem optischen Kopf ein Scanverfahren zur Variation der Richtung des abgestrahlten und/oder des empfangenen Laserlichts angewendet. So können festgelegte Erfassungsbereiche des jeweiligen optischen Kopfes realisiert werden. Vorzugsweise wird dabei ein eindimensionaler Scan in horizontaler oder vertikaler oder geneigter Richtung durchgeführt. Dies bietet den Vorteil, dass die Scanvorrichtung in einem optischen Kopf besonders einfach ausgeführt werden kann, da nicht, wie bei bekannten Lidar-Vorrichtungen, jeder optische Kopf die Umgebung in zwei Dimensionen abscannen muss. Dies ist deshalb möglich, weil erfindungsgemäß mehrere optische Köpfe vorgesehen sein können sind, deren Erfassungsbereiche sich ergänzen, und die dann beispielsweise ein 360° Abbild der Umgebung ermitteln können. Vorzugsweise jeweils ein eindimensionaler Scan in horizontaler oder vertikaler oder geneigter Richtung Anwendung findet.In a particularly preferred embodiment of a method according to the invention, a scanning method for varying the direction of the emitted and/or received laser light is used in each optical head. This allows defined detection areas for each optical head to be realized. Preferably, a one-dimensional scan is performed in a horizontal, vertical, or inclined direction. This offers the advantage that the scanning device in an optical head can be designed particularly simply, since, unlike known lidar devices, each optical head does not have to scan the environment in two dimensions. This is possible because, according to the invention, several optical heads can be provided whose detection areas complement each other and which can then, for example, acquire a 360° image of the environment. Preferably, a one-dimensional scan in a horizontal, vertical, or inclined direction is used in each case.
Vorzugsweise werden verschiedene optische Köpfe dabei unterschiedliche Scans durchführen deren Scanrichtungen sich unterscheiden. Verschiedene Scanrichtungen, also beispielsweise horizontale oder vertikale oder geneigte Richtungen können dabei so realisiert sein, dass sich die Erfassungsbereiche ergänzen.Preferably, different optical heads will perform different scans with differing scan directions. These different scan directions, such as horizontal, vertical, or inclined directions, can be implemented in such a way that the detection areas complement each other.
Vorzugsweise wird bei der Zuführung von Laserlicht an die verschiedenen optischen Köpfe und/oder bei der Auswertung von detektiertem reflektierten Laserlicht ein Zeit-Multiplexverfahren angewendet.Preferably, a time-division multiplexing method is used when supplying laser light to the various optical heads and/or when evaluating detected reflected laser light.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Detektion von reflektiertem Laserlicht ein Heterodyn-Verfahren angewendet. Heterodyn-Detektionsverfahren sind aus der Nachrichtentechnik und aus der Optik zur Detektion und Analyse von Signalen bekannt. Dabei werden Wellen einer unbekannten Frequenz durch Mischen mit Wellen einer Referenzfrequenz detektiert. Hierbei wird das elektrische Feld eines empfangenen Signals mit dem elektrischen Feld eines lokalen Oszillators gemischt, wobei die Mischung auf einem nicht-linearen Produkt der Eingangssignale basiert, sodass zumindest ein Teil des Ausgangssignals proportional zum Quadrat der Eingangssignale ist. Im Wesentlichen werden dabei insbesondere Mischprodukte mit Summen- und Differenzfrequenzen ermittelt. Die Amplitude des so heruntergemischten Signals ist größer als die Amplitude des originalen Signals selbst, sodass eine große Amplitude des lokalen Oszillators auch eine große „Differenzfrequenz-Amplitude“ ergibt.In a particularly preferred embodiment of a method according to the invention, a heterodyne method is used to detect reflected laser light. Heterodyne detection methods are known from telecommunications and optics for the detection and analysis of signals. Waves of an unknown frequency are detected by mixing them with waves of a reference frequency. Here, the electric field of a received signal is mixed with the electric field of a local oscillator, the mixing being based on a non-linear product of the input signals such that at least a portion of the output signal is proportional to the square of the input signals. Essentially, mixing products with sum and difference frequencies are determined. The amplitude of the signal thus downmixed is larger than the amplitude of the original signal itself, so that a large amplitude of the local oscillator also results in a large "difference frequency amplitude".
Bei einem solchen Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird das von der Umgebung reflektierte und empfangene optische Signal mit einem gespeicherten Anteil des Laserlichts gemischt. Es findet ein optisches Mischen von emittiertem und reflektiertem Laserlicht auf einem Detektor statt. Da beide Anteile zeitlich kohärent sind (die Kohärenzlänge des Lasers muss entsprechend groß sein, um diese Bedingung zu erfüllen), interferieren die elektrischen Felder des Lichts aus dem lokalen Oszillator und des Lichts aus der Reflektion der Umgebung, sodass am Detektor das entsprechende Signal der Differenzfrequenz der beiden optischen Interferenzpartner detektiert wird. Die heterodynen Mischfrequenzen (Signalfrequenz plus Oszillatorfrequenz sowie Signalfrequenz minus Oszillatorfrequenz) erlauben eine verbesserte Detektion, da einerseits ein Heruntermischen zu kleineren Frequenzen erfolgt und andererseits die vergleichsweise große Intensität des emittierenden Lasers durch die Heterodyn-Detektion das Detektieren der geringeren Intensität von reflektierten Laserlicht vereinfacht. Die weiteren Frequenzkomponenten wie die Oszillationsfrequenz der beiden elektrischen Felder der Lichtstrahlen, sowie die Summenfrequenz liegt zwar auch vor, befindet sich jedoch in einem Frequenzbereich dem die Elektronik nicht folgen kann.In such a method according to the present invention, the environment The reflected and received optical signals are mixed with a stored portion of the laser light. Optical mixing of emitted and reflected laser light takes place on a detector. Since both components are temporally coherent (the coherence length of the laser must be sufficiently large to meet this condition), the electric fields of the light from the local oscillator and the light from the reflection interfere, so that the corresponding signal of the difference frequency of the two optical interference partners is detected at the detector. The heterodyne mixing frequencies (signal frequency plus oscillator frequency and signal frequency minus oscillator frequency) allow for improved detection because, on the one hand, a downmixing to lower frequencies occurs, and on the other hand, the comparatively high intensity of the emitting laser simplifies the detection of the lower intensity of reflected laser light through heterodyne detection. The other frequency components, such as the oscillation frequency of the two electric fields of the light beams, as well as the sum frequency, are also present, but are in a frequency range that the electronics cannot track.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert.The invention will be explained in more detail below using the figures as examples.
Dabei zeigt:
-
1 : ein Fahrzeug 10 mit einer erfindungsgemäßen Lidar-Vorrichtung; -
2 : das Fahrzeug 10 der1 in einer schematischen Ansicht von oben; -
3 : eine Ansicht von oben auf Scanlinien einer erfindungsgemäßen Lidar-Vorrichtung; -
4 : eine Seitenansicht auf Scanlinien einer erfindungsgemäßen Lidar-Vorrichtung; -
5 : ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Lidar-Zentraleinheit; -
6 : ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen optischen Kopfs; und -
7 : eine schematische Ansicht der Verbindungen zwischen der Lidar-Zentraleinheit und einem optischen Kopf.
-
1 : a vehicle 10 with a lidar device according to the invention; -
2 : vehicle 10 of the1 in a schematic view from above; -
3 : a top view of scan lines of a lidar device according to the invention; -
4 : a side view of scan lines of a lidar device according to the invention; -
5 : a block diagram of a lidar central unit according to the invention; -
6 : a block diagram of an optical head according to the invention; and -
7 : a schematic view of the connections between the lidar central unit and an optical head.
In der schematischen Darstellung der
Die
Die Scanlinien 16 und 18 der
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass die verschiedenen optischen Köpfe 12 des Fahrzeugs 10 einerseits alle Laserlicht emittieren können. Alle optischen Köpfe 10 können weiterhin reflektiertes Laserlicht empfangen, und zwar nicht nur solches, welches sie selbst ausgesendet haben, sondern auch Laserlicht, welches ursprünglich von einem anderen, beispielsweise benachbarten optischen Kopf 12 ausgesendet wurde. Durch die überlappenden Erfassungsbereiche der verschiedenen optischen Köpfe 12 ergibt sich ein Erfassungsbereich der gesamten Lidar-Vorrichtung, welcher um 360° um das Fahrzeug 10 verläuft. Es ergeben sich ferner auch Redundanzen, wenn beispielsweise ein bestimmter optischer Kopf 12 durch Verschmutzung so abgedeckt ist, dass er vielleicht noch Laserlicht aussenden, aber nicht mehr die deutlich schwächere Intensität von reflektiertem Laserlicht empfangen kann.A key aspect of the present invention is the fact that the various optical heads 12 of the vehicle 10 can all emit laser light. Furthermore, all optical heads 10 can receive reflected laser light, not only that which they themselves have emitted, but also laser light that was originally emitted by another, for example, neighboring, optical head 12. Due to the overlapping detection ranges of the various optical heads 12, a detection range for the entire lidar device is achieved, extending 360° around the vehicle 10. Redundancies also arise if, for example, a particular optical head 12 is covered by contamination to such an extent that it may still be able to emit laser light, but can no longer receive the significantly weaker intensity of reflected laser light.
In der
Anhand der
Bei der erfindungsgemäßen Lidar-Vorrichtung weist nicht jeder optische Kopf 12 einen Laser auf, sondern es ist eine zentrale Lichtquelle in Form eines zentralen Lasers 24 innerhalb der Lidar-Zentraleinheit 14 angeordnet. Dabei kann der Laser 24 tatsächlich als einzelner Laser 24 mit entsprechend großer Lichtleistung vorgesehen sein, um die verschiedenen optischen Köpfe 12 mit einer hinreichenden Intensität von Laserlicht zu versorgen. Alternativ kann der Laser 24 auch modular aufgebaut sein, also aus skalierbaren Einzellichtquellen, also Lasern oder Laserdioden bestehen.In the lidar device according to the invention, not every optical head 12 has a laser; instead, a central light source in the form of a central laser 24 is arranged within the lidar central unit 14. The laser 24 can actually be a single laser 24 with a sufficiently high light output to supply the various optical heads 12 with an adequate intensity of laser light. Alternatively, the laser 24 can also be modular, i.e., consist of scalable individual light sources, such as lasers or laser diodes.
Der Laser 24 ist mittels einer nicht dargestellten elektrischen Verbindung mit einem Lichtelektronikzentrum 46 verbunden. Dieses Lichtelektronikzentrum 46 dient unter anderem der Steuerung des Lasers 24.The laser 24 is connected to a light electronics center 46 via an electrical connection (not shown). This light electronics center 46 serves, among other things, to control the laser 24.
Mittels einer optischen Verbindung 25 ist der Laser 24 mit einer Mehrzahl von optischen Delay Lines 26 verbunden und emittiertes Laserlicht wird in diese eingekoppelt. Ist nur ein Laser 24 vorgesehen, so können zwischen dem Laser 24 und den Delay Lines 28 optische Splitter oder Strahlteiler vorgesehen sein, um das Laserlicht auf die Delay Lines 26 zu verteilen. Die Delay Lines 26 sind mittels optischer Verbindungen 29 und optischen Ausgängen 28 über die Glasfaserverbindungen 70 mit den optischen Köpfen 12 verbunden.The laser 24 is connected to a plurality of optical delay lines 26 via an optical link 25, and emitted laser light is coupled into these lines. If only one laser 24 is used, optical splitters or beam dividers can be provided between the laser 24 and the delay lines 28 to distribute the laser light to the delay lines 26. The delay lines 26 are connected to the optical heads 12 via optical links 29 and optical outputs 28 through the fiber optic connections 70.
Die optischen Delay Lines 26 dienen grundsätzlich der Steuerung, wann ein optischer Kopf 12 Laserlicht aussendet. Dies kann der Ausführung eines Zeit-Multiplexing-Verfahrens dienen.The optical delay lines 26 are primarily used to control when an optical head 12 emits laser light. This can be used to execute a time-division multiplexing process.
Ein Timing Master und Zeitmultiplexer 36 ist elektrisch mit den Delay Lines 26 verbunden und steuert diese.A timing master and time multiplexer 36 is electrically connected to and controls the delay lines 26.
Neben den optischen Ausgängen 28 weist die Lidar-Zentraleinheit 14 auch eine Mehrzahl von optischen Eingängen 30 auf. Die Anzahl der optischen Ausgänge 28 und der optischen Eingänge 30 entspricht der Anzahl der optischen Köpfe 12, die am Fahrzeug 10 angeordnet sind. Über die optischen Eingänge 30 empfängt die Lidar-Zentraleinheit 14 über weitere Glasfaserverbindungen 72 Laserlicht, welches von den optischen Köpfen 12 nach einer Reflexion an einem Objekt in einer Umgebung des Fahrzeugs 10 empfangen wurden. Die optischen Eingänge 30 stehen mittels optischer Verbindungen 31 mit einem optischen Detektionszentrum 34 in Verbindung, welches einen oder mehrere Detektoren aufweisen. Reflektiertes Laserlicht, welches durch die optischen Eingänge 30 empfangen wurde, wird so in elektrische Signale umwandelt.In addition to the optical outputs 28, the lidar central unit 14 also has a plurality of optical inputs 30. The number of optical outputs 28 and optical inputs 30 corresponds to the number of optical heads 12 arranged on the vehicle 10. Via the optical inputs 30, the lidar central unit 14 receives laser light through further fiber optic connections 72. This laser light was received by the optical heads 12 after reflection from an object in the vicinity of the vehicle 10. The optical inputs 30 are connected via optical links 31 to an optical detection center 34, which has one or more detectors. Reflected laser light received through the optical inputs 30 is thus converted into electrical signals.
Die elektrischen Signale werden durch einen Prozessor 40 mit Elektronik zur Datenverarbeitung digitalisiert. Der Prozessor 40 ermöglicht so die weitere Signalverarbeitung auf einem digitalen Level, beinhaltet also einen A/D Wandler. Eine Fusion über mehrere Sensormodalitäten kann ebenfalls vorgenommen werden. Daten aus Lidar-, Kamera-, Radar-, Infrarot-, oder Ultraschallvorrichtungen können dabei kombiniert werden. Der Prozessor 40 sendet hierzu Daten an ein Fusionszentrum 42. Hier werden basierend auf den Signalen Lidarpunktwolken generiert. Wenn unterschiedliche optische Köpfe 12 separate Punktewolken generieren, so können diese hier zusammengefasst werden. Wenn alternativ ein erster optischer Kopf 12 Laserlicht aussendet und zusammen mit anderen das reflektierte Laserlicht empfängt, so kann mittels des Fusionszentrums 42 eine Gesamtpunktewolke generiert werden.The electrical signals are digitized by a processor 40 with integrated data processing electronics. The processor 40 enables further signal processing at a digital level and therefore includes an analog-to-digital converter (ADC). Fusion across multiple sensor modalities is also possible. Data from lidar, camera, radar, infrared, or ultrasound devices can be combined. For this purpose, the processor 40 sends data to a fusion center 42. Here, lidar point clouds are generated based on the signals. If different optical heads generate 12 separate point clouds, these can be combined here. Alternatively, if a first optical head emits 12 laser light and receives the reflected laser light along with others, a single point cloud can be generated using the fusion center 42.
Die so weiterverarbeiteten elektrischen Signale werden durch den Prozessor 40 über eine Datenschnittstelle 48 nach außen geführt und beispielsweise einem zentralen Fahrzeugrechner zu Verfügung gestellt.The electrical signals processed in this way are routed to the outside by the processor 40 via a data interface 48 and made available, for example, to a central vehicle computer.
Zur Anwendung eines FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) -Verfahrens kann ferner ein optischer Speicherring 38 vorgesehen sein. Bei einer solchen Dauerstrich-Detektion werden nicht einzelne Laserimpulse ausgesendet, sondern der Laser 24 sendet kontinuierlich Laserlicht aus. Während bei einem unmodulierten Dauerstrichbetrieb keine absoluten Entfernungsmessungen möglich sind, sondern über die Ermittlung von Doppler-Frequenzen lediglich Geschwindigkeiten von detektierten Objekten, bieten frequenzmodulierte Verfahren die bei einer Lidar-Vorrichtung selbstverständlich notwendige Möglichkeit der Entfernungsmessung zu detektierten Objekten. Vereinfacht ausgedrückt, basiert die FMCW-Methode darauf, dass die Frequenz des ausgesendeten Laserlichts zeitlich verändert, also moduliert wird, und die Laufzeit der veränderten Frequenzanteile gemessen wird. Im Prinzip ist jede Art von Modulation (Frequenzmodulation, Phasenmodulation und Amplitudenmodulation) geeignet, um das emittierte Laserlicht mit „Marken“ zu versehen, die nach dem Empfang auf die Laufzeit zurückschließen lässt.For the application of an FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) method, an optical storage ring 38 can also be provided. In such continuous wave detection, individual laser pulses are not emitted; instead, the laser 24 emits laser light continuously. While absolute distance measurements are not possible in unmodulated continuous wave operation, but only the velocities of detected objects can be determined by measuring Doppler frequencies, frequency-modulated methods offer the distance measurement capability to detected objects, which is of course essential for a lidar device. In simplified terms, the FMCW method is based on the fact that the frequency of the emitted laser light is changed over time, i.e., modulated, and the travel time of the changed frequency components is measured. In principle, any type of modulation (frequency modulation, phase modulation, and amplitude modulation) is suitable for marking the emitted laser light with "markers" that allow the travel time to be determined after reception.
Mittels des optischen Speicherrings 38 kann nun eine Referenzwelle als lokaler Oszillator gespeichert werden, um eine heterodyne Detektion vorzunehmen. In den optischen Speicherring 38 wird hierzu Licht des Lasers 24 über eine optische Verbindung 27 eingespeist und bildet die Referenzwelle. Im Bereich der Delay Lines 26 sind hierzu nicht näher dargestellte optische Splitter oder Strahlteiler vorgesehen, die Laserlicht zum optischen Speicherring 38 abzweigen. Der optische Speicherring 38 steht mit einer weiteren optischen Verbindung 33 mit dem Detektionszentrum 34 in Verbindung, wo ein optisches Mischen von dem von den optischen Köpfen 12 empfangenen Laserlicht 53 mit dem Laserlicht aus dem optischen Speicherring 38 stattfindet.A reference wave can now be stored as a local oscillator using the optical storage ring 38 to perform heterodyne detection. For this purpose, light from the laser 24 is fed into the optical storage ring 38 via an optical connection 27 and forms the reference wave. Optical splitters or beam dividers (not shown) are provided in the region of the delay lines 26 to divert laser light to the optical storage ring 38. The optical storage ring 38 is connected to the detection center 34 via another optical connection 33, where the laser light 53 received by the optical heads 12 is optically mixed with the laser light from the optical storage ring 38.
Da das Laserlicht im optischen Speicherring 38 von dem Laser 24 stammt, ist dessen Frequenz bekannt, und da der Laser 24 ferner die optischen Köpfe 12 über die optischen Ausgänge 28 mit Laserlicht versorgt, ist das über die optischen Köpfe 12 empfangene und das im optischen Speicherring 38 gespeicherte Laserlicht auch kohärent, sodass nach dem Mischen im optischen Detektionszentrum 34 mittels des Hydronym-Verfahrens die Detektion vorgenommen werden kann.Since the laser light in the optical storage ring 38 originates from the laser 24, its frequency is known, and since the laser 24 also supplies the optical heads 12 with laser light via the optical outputs 28, the laser light received via the optical heads 12 and the laser light stored in the optical storage ring 38 is also coherent, so that after mixing in the optical detection center 34, detection can be carried out using the hydronym method.
Das Lichtelektrodenzentrums 46 dient neben der bereits erläuterten Steuerung des Lasers 24 unter andrem auch der Steuerung der Detektoren im optischen Detektionszentrum 34, A/D Wandlern im Prozessor 40 und der Scaneinrichtung in den optischen Köpfen 12, welche als Optical Phased Array (OPA) 52 ausgebildet ist (siehe auch
Wie bereits erläutert, kann der Laser 24 aus einem einzelnen Laser bestehen oder skalierbar mehrere Laser aufweisen, um die Lidar-Zentraleinheit 14 an eine unterschiedliche Anzahl oder Leistungsbedarf von optischen Köpfen 12 anzupassen. Je nach verwendetem Verfahren (Zeitmultiplex oder FMCW) wird das Detektionszentrum 34 entweder nur einen oder je optischem Kopf 12 einen Detektor aufweisen, um Laserlicht, das empfangen wurde, in elektrische Signale umzuwandeln.As previously explained, the laser 24 can consist of a single laser or, in a scalable manner, have multiple lasers to adapt the lidar central unit 14 to a different number or power requirement of optical heads 12. Depending on the method used (time-division multiplexing or FMCW), the detection center 34 will have either only one detector or one detector per optical head 12 to convert the received laser light into electrical signals.
Insbesondere die optischen Ausgänge 28 und die optischen Eingänge 30 können als optische Steckverbindung vorgesehen sein, so dass eine Ankopplung oder Abkopplung der optischen Köpfe 12 besonders einfach und zuverlässig realisiert werden kann.In particular, the optical outputs 28 and the optical inputs 30 can be provided as optical connectors, so that coupling or decoupling of the optical heads 12 can be implemented particularly easily and reliably.
Die elektrische Verbindung 74 dient insbesondere der Steuerung des Optical Phased Arrays 52.The electrical connection 74 is used in particular for the control of the Optical Phased Array 52.
Von den optischen Steckverbindungen 68 wird das von der Lidar-Zentraleinheit 14 kommende Laserlicht über optionale optische Bauteile 60 zu einer Übergabestruktur 58 geführt. Die optionalen optischen Bauteile 60 können Polarisationsfilter in Kombination mit einer Lambda/2 Platte als Polarisationssetzer darstellen. Hiermit können polarimetrischer Messungen oder Scans durchgeführt werden. In diesem Fall werden für die weiter Lichtführung polarisationserhaltende Glasfasern verwendet.The laser light from the lidar central unit 14 is guided from the optical connectors 68 via optional optical components 60 to a transfer structure 58. The optional optical components 60 can function as polarization filters in combination with a lambda/2 plate as a polarization setter. This enables polarimetric measurements or scans to be performed. In this case, polarization-maintaining optical fibers are used for further light transmission.
Eine Übergabestruktur 58 dient der Anbindung einer Einkopplungsstruktur 56, mittels dem auszusendendes Laserlicht von der Lidar-Zentraleinheit 14 kommend in das Optical Phased Array 52 einkoppelt wird und empfangenes reflektiertes Laserlicht wieder zurück in Richtung der Glasfaserverbindung 72.A transfer structure 58 serves to connect a coupling structure 56, by means of which laser light to be emitted from the lidar central unit 14 is coupled into the optical phased array 52 and received reflected laser light is directed back towards the fiber optic connection 72.
Das Optical Phased Array 52 steuert den Scanvorgang, bei welchem mittels ausgesendetem Laserlicht 51 und empfangenen reflektiertem Laserlicht 53 die Umgebung zyklisch abgetastet wird. Für das Aussenden und das Empfangen können dabei zwei unterschiedliche Zeilenarrays vorgesehen sein, vorzugsweise wird dies aber entsprechende zeitlich versetzt in einem einzigen Zeilenarray geschehen.The Optical Phased Array 52 controls the scanning process, in which emitted light is used to measure the scanning process. The environment is cyclically scanned using laser light 51 and received reflected laser light 53. Two different line arrays can be provided for transmission and reception, but preferably this is done with a corresponding time offset in a single line array.
Von der Umgebung reflektiertes Laserlicht 53 wird über eine optisches Eingangselement 54 empfangen und an das Optical Phased Array 52 geleitet. Das Eingangselement 54 kann hierzu eine Eingangsfläche und eine Linsenstruktur enthalten.Laser light 53 reflected from the environment is received via an optical input element 54 and directed to the optical phased array 52. The input element 54 can include an input surface and a lens structure for this purpose.
Mindestens eines oder mehrere Elemente der Gruppe umfassend den optische Ausgang 50, das Optical Phased Array (OPA) 52, die optische Eingangsfläche 54, die Einkopplungsstruktur 56 und die 58 Übergabestruktur 58 können in einem Photonik Chip 62 integriert sein. Ein solcher Photonik Chip 62 beinhaltet integrierte optische Schaltkreise und ist ein Mikrochip, der zwei oder mehr photonische Komponenten enthält, die auch einen Schaltkreis bilden können. Diese Technologie erkennt, erzeugt, transportiert und verarbeitet Licht.At least one or more elements of the group comprising the optical output 50, the optical phased array (OPA) 52, the optical input surface 54, the coupling structure 56, and the transfer structure 58 can be integrated into a photonic chip 62. Such a photonic chip 62 incorporates integrated optical circuits and is a microchip containing two or more photonic components, which can also form a circuit. This technology detects, generates, transmits, and processes light.
Die vorliegende Erfindung bietet somit gegenüber bekannten Lidar-Vorrichtungen wesentliche Vorteile. Insbesondere kann die Größe der verbauten optischen Köpfe 12 dadurch drastisch reduziert werden, dass die Lichterzeugung in die Lidar-Zentraleinheit 14 verlagert wird und durch den Laser 24 dort gewährleistet ist. Der für einen optischen Kopf 12 benötigte Bauraum wird weiter reduziert, weil auch die Ummantelung von empfangenem reflektierten Laserlicht nicht mehr im optischen Kopf 12 stattfindet, sondern im Detektionszentrum 34 innerhalb der Lidar-Zentraleinheit 14. Das optionale Vorsehen eines Timing Masters 36 und Zeit-Multiplexer bietet die Möglichkeit eines Zeit-Multiplexing-Verfahrens, so dass beispielsweise der Laser 24 tatsächlich durch einen einzelnen starken Laser oder durch mehrere Laser realisiert werden kann, wobei die Anzahl der mehreren Laser kleiner sein kann als die Anzahl der verbauten optischen Köpfe 12. Hierzu werden die optischen Delay Lines 26 ebenfalls genutzt. Das alternativ verwendete FMCW-Verfahren ermöglicht, wie bereits erläutert, die Anwendung eines heterodynen Detektionsverfahrens, was die Empfindlichkeit oder die Sensitivität des Systems deutlich verbessert und somit die Reichweite einer erfindungsgemäßen Lidar-Vorrichtung. Das Zeit-Multiplex-Verfahren kann weiterhin angewendet werden, um statt einer starken Lichtquelle, also eines starken Lasers 24 einen schwächeren Laser zu verwenden. Die emittierte Lichtleistung kann mittels der Delay Lines 26 zeitlich gestaffelt auf die verschiedenen optischen Köpfe 12 zu verteilen. Das Vorsehen mehrerer optischen Köpfe bietet eine Redundanzvorteile.The present invention thus offers significant advantages over known lidar devices. In particular, the size of the optical heads 12 can be drastically reduced by relocating the light generation to the lidar central unit 14, where it is provided by the laser 24. The installation space required for an optical head 12 is further reduced because the encapsulation of received reflected laser light no longer takes place in the optical head 12, but rather in the detection center 34 within the lidar central unit 14. The optional provision of a timing master 36 and time-division multiplexer enables a time-division multiplexing method, so that, for example, the laser 24 can actually be implemented by a single high-power laser or by multiple lasers, with the number of multiple lasers being smaller than the number of optical heads 12. The optical delay lines 26 are also used for this purpose. As already explained, the alternative FMCW method allows the application of a heterodyne detection method, which significantly improves the sensitivity of the system and thus the range of a lidar device according to the invention. The time-division multiplexing method can also be used to employ a weaker laser instead of a strong light source, i.e., a strong laser 24. The emitted light power can be distributed to the various optical heads 12 in a time-staggered manner using the delay lines 26. The provision of multiple optical heads offers redundancy advantages.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1010
- Fahrzeugvehicle
- 1212
- optischer Kopfoptical head
- 1414
- Lidar-ZentraleinheitLidar central unit
- 1616
- ScanlinienScan lines
- 1818
- ScanlinienScan lines
- 2020
- ScanlinieScan line
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-
2024
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Patent Citations (2)
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