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DE102023201147A1 - Novel coherent lidar system for environmental detection - Google Patents

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DE102023201147A1
DE102023201147A1 DE102023201147.6A DE102023201147A DE102023201147A1 DE 102023201147 A1 DE102023201147 A1 DE 102023201147A1 DE 102023201147 A DE102023201147 A DE 102023201147A DE 102023201147 A1 DE102023201147 A1 DE 102023201147A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
frequency
sequence
values
lidar system
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023201147.6A
Other languages
German (de)
Inventor
Markus Wintermantel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aumovio Autonomous Mobility Germany GmbH
Original Assignee
Continental Autonomous Mobility Germany GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Autonomous Mobility Germany GmbH filed Critical Continental Autonomous Mobility Germany GmbH
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Priority to CN202480012260.2A priority patent/CN120677408A/en
Priority to PCT/DE2024/035007 priority patent/WO2024170024A1/en
Publication of DE102023201147A1 publication Critical patent/DE102023201147A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

Kohärent arbeitendes Lidarsystem zur Umgebungserfassung, welches ein phasenmoduliertes Signal, insbesondere einen unregelmäßigen Wechsel über diskrete Phasenwerte, vorzugsweise über nur zwei um näherungsweise 180° unterschiedliche Phasenwerte beinhaltend, aussendet, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz, auf welche die Phase moduliert ist, sich zumindest abschnittsweise kontinuierlich ändert, vorzugsweise mit zumindest näherungsweise linearem Verlauf.

Figure DE102023201147A1_0000
Coherently operating lidar system for environmental detection, which emits a phase-modulated signal, in particular an irregular change over discrete phase values, preferably over only two phase values that differ by approximately 180°, characterized in that the frequency to which the phase is modulated changes continuously at least in sections, preferably with at least approximately a linear progression.
Figure DE102023201147A1_0000

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein kohärent arbeitendes Lidarsystem insbesondere zur Umgebungserfassung für Kraftfahrzeuganwendungen. Das neuartige kohärente Lidarsystem arbeitet mit einer Phasenmodulation und besitzt erfindungsgemäß zusätzlich eine Frequenzmodulation, bei welcher sich die Frequenz zumindest abschnittsweise kontinuierlich ändert, vorzugsweise mit zumindest näherungsweise linearem Verlauf. Vorteilhafterweise benutzt das Lidarsystem die kontinuierliche Frequenzänderung zur Strahlrichtungsänderung in einer ersten Raumrichtung mit Hilfe wenigstens eines Wellenleiters und/oder für eine vorzeichenrichtige Bestimmung der Empfangsfrequenz und damit für eine eindeutige Bestimmung der Relativgeschwindigkeit von Objekten bei Verwendung eines reellwertigen Mischers. Für die Strahlrichtungsänderung in einer zweiten, zur ersten orthogonalen Raumrichtung können unterschiedliche Vorrichtungen eingesetzt werden, insbesondere ein Element mit steuerbaren optischen Materialeigenschaften. Das neuartige Lidarsystem lässt sich mit hoher Halbleiterintegration realisieren.The invention relates to a coherent lidar system, in particular for environmental detection for motor vehicle applications. The novel coherent lidar system works with phase modulation and, according to the invention, additionally has frequency modulation, in which the frequency changes continuously at least in sections, preferably with an at least approximately linear progression. The lidar system advantageously uses the continuous frequency change to change the beam direction in a first spatial direction with the aid of at least one waveguide and/or for a sign-correct determination of the reception frequency and thus for a clear determination of the relative speed of objects when using a real-valued mixer. Different devices can be used for the beam direction change in a second spatial direction orthogonal to the first, in particular an element with controllable optical material properties. The novel lidar system can be implemented with a high level of semiconductor integration.

Stand der TechnikState of the art

Kraftfahrzeuge werden zunehmend mit Fahrerassistenzsystemen ausgerüstet, welche mit Hilfe von Sensorsystemen die Umgebung erfassen und aus der daraus erkannten Verkehrssituation automatische Reaktionen des Fahrzeugs ableiten und/oder den Fahrer instruieren, insbesondere warnen. Dabei unterscheidet man zwischen Komfort- und Sicherheitsfunktionen.Motor vehicles are increasingly being equipped with driver assistance systems that use sensor systems to detect the environment and, based on the traffic situation detected, derive automatic reactions from the vehicle and/or instruct the driver, particularly by warning them. A distinction is made between comfort and safety functions.

Mittlerweile gehen die Entwicklungen aber in eine noch weitergehende Richtung. Der Fahrer wird nicht mehr nur assistiert, sondern die Aufgabe des Fahrers wird zunehmend autonom vom Fahrzeug erledigt, d. h. der Fahrer wird zunehmend ersetzt; man spricht von autonomem Fahren.However, developments are now moving in an even more advanced direction. The driver is no longer just assisted, but the driver's task is increasingly being carried out autonomously by the vehicle, i.e. the driver is increasingly being replaced; this is known as autonomous driving.

Insbesondere für autonomes Fahren werden Sensoren mit hochgenauer und maschinell einfach auszuwertender Umgebungsinformation benötigt. Radarsysteme sind in ihrer Winkelgenauigkeit und -trennfähigkeit limitiert und können alleine oder auch in Kombination mit Kamerasystemen diese hohen Erfassungsanforderungen zumindest heute noch nicht zufriedenstellend erfüllen. Deshalb werden parallel auch Lidarsysteme eingesetzt, die eine ähnlich hohe Winkelauflösung (horizontal und vertikal) wie eine Kamera haben, aber zusätzlich noch in jedem Pixel eine Entfernungsinformation und -trennfähigkeit liefern. Heute werden meist sogenannte Timeof-Flight-Lidarsysteme eingesetzt, die elektromagnetische Strahlung im Sinne von Partikeln behandeln und so nur die Entfernung, aber nicht die Relativgeschwindigkeit direkt messen können. Zunehmend rücken nun aber auch kohärent arbeitende Lidarsysteme in den Fokus, die elektromagnetische Strahlung im Sinne von Wellen behandeln (wie Radarsysteme) und damit über den Dopplereffekt auch die Relativgeschwindigkeit von Objekten direkt messen können. Weitere Vorteile von kohärenten Lidarsystemen sind, dass sie zum einen robust auf Störeinstrahlung anderer Quellen (z. B. durch andere Lidarsysteme oder Sonnenlicht) sind und zum anderen bei höheren Entfernungen eine höhere Sensitivität haben und damit höhere Reichweiten erlauben. Und außerdem wird kohärenten Lidarsystemen ein höheres Potential an hoher Halbleiterintegration zugeschrieben, was geringere Herstellungskosten verspricht.Autonomous driving in particular requires sensors with highly accurate environmental information that can be easily evaluated by machines. Radar systems are limited in their angular accuracy and separation capability and cannot yet satisfactorily meet these high detection requirements on their own or in combination with camera systems. For this reason, lidar systems are also used in parallel, which have a similarly high angular resolution (horizontal and vertical) as a camera, but also provide distance information and separation capability in each pixel. Today, so-called time-of-flight lidar systems are mostly used, which treat electromagnetic radiation in the sense of particles and can therefore only directly measure the distance but not the relative speed. However, coherent lidar systems are now increasingly coming into focus, which treat electromagnetic radiation in the sense of waves (like radar systems) and can therefore also directly measure the relative speed of objects via the Doppler effect. Further advantages of coherent lidar systems are that they are robust against interference from other sources (e.g. from other lidar systems or sunlight) and that they have a higher sensitivity at greater distances and thus allow greater ranges. In addition, coherent lidar systems are said to have a higher potential for high semiconductor integration, which promises lower manufacturing costs.

Bei kohärenten Lidarsystemen ist die ausgesendete elektromagnetische Welle moduliert, d. h. sie ändert sich in wenigstens einem der Parameter Amplitude, Frequenz oder Phase über die Zeit - andernfalls wäre keine Entfernungsmessung möglich. Die meistverwendete Modulation ist bei kohärenten Lidarsystemen die lineare Frequenzmodulation (FMCW = frequency modulated continuous wave), welche meist aus zwei Frequenzrampen besteht, deren Steigung entgegengesetztes Vorzeichen haben. Diese Modulation hat allerdings Mehrdeutigkeitsprobleme insbesondere bei mehreren Reflexionen in selber Strahlrichtung und außerdem ist die Erzeugung einer hochlinearen Frequenzänderung aufwändig. Diese Nachteile treten bei einer Phasenmodulation (z. B. mit pseudozufälligem Wechsel über diskreter Phasenwerte bei fester Sendefrequenz) nicht bzw. weniger auf, allerdings ist die digitale Auswertung der empfangenen Signale aufwändiger und die im Stand der Technik vorgeschlagenen Ansätze sind mit Nachteilen, insbesondere im Hinblick auf Sensitivität und damit Reichweite verbunden. Bisher sind keine Modulationsformen bekannt, die innerhalb der Datenaufnahme eines Pixels und über Pixel hinweg eine kontinuierliche Frequenzänderung beinhalten bzw. erlauben, was für eine Strahlrichtungsänderung mit Hilfe eines Wellenleiters vorteilhaft wäre. Die Strahlrichtungsänderung wird häufig in beiden Raumrichtungen noch in mechanischer Weise realisiert, was aufwändig ist, zu großen Bauformen führt und Nachteile hinsichtlich Robustheit hat. Zumeist werden reellwertige Mischer benutzt (da sie im Vergleich zu komplexwertigen Mischern deutlich weniger Aufwand erfordern); allerdings ist dann die Vorzeichenbestimmung der Empfangsfrequenz im Allgemeinen problematisch oder nicht möglich, so dass es für die Relativgeschwindigkeit und gegebenenfalls für die Entfernung von Objekten zwei Hypothesen gibt. Das Potential der Halbleiterintegration ist in aktuellen kohärenten Lidarsystemen nur unzureichend ausgeschöpft.In coherent lidar systems, the emitted electromagnetic wave is modulated, i.e. it changes in at least one of the parameters amplitude, frequency or phase over time - otherwise distance measurement would not be possible. The most commonly used modulation in coherent lidar systems is linear frequency modulation (FMCW = frequency modulated continuous wave), which usually consists of two frequency ramps whose slopes have opposite signs. However, this modulation has ambiguity problems, particularly with multiple reflections in the same beam direction, and generating a highly linear frequency change is also complex. These disadvantages do not occur or are less common with phase modulation (e.g. with pseudorandom changes over discrete phase values at a fixed transmission frequency), but the digital evaluation of the received signals is more complex and the approaches proposed in the prior art are associated with disadvantages, particularly with regard to sensitivity and thus range. To date, no modulation forms are known that include or allow a continuous frequency change within the data recording of a pixel and across pixels, which would be advantageous for a beam direction change using a waveguide. The beam direction change is often still implemented mechanically in both spatial directions, which is complex, leads to large designs and has disadvantages in terms of robustness. Real-valued mixers are usually used (since they require significantly less effort than complex-valued mixers); however, determining the sign of the reception frequency is generally problematic or not possible, so that the relative speed and, if applicable, the distance of objects There are two hypotheses. The potential of semiconductor integration is not fully exploited in current coherent lidar systems.

Aufgabe, Lösung und Vorteile der ErfindungTask, solution and advantages of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges kohärentes Lidarsystem bereitzustellen, welches eine hohe Performance aufweist, aber trotzdem eine kostengünstige Realisierung und kleinen Bauraum erlaubt.The object of the invention is to provide a novel coherent lidar system which has a high performance, but nevertheless allows a cost-effective implementation and a small installation space.

Diese Aufgabe wird grundsätzlich durch ein Lidarsystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht. Eine Kernidee ist dabei, dass eine Phasenmodulation mit überlagerter Frequenzmodulation benutzt wird, was insbesondere eine Strahlrichtungsänderung mit Hilfe wenigstens eines Wellenleiters in vorteilhafter Weise ermöglicht und die Verwendung eines reellwertigen Mischers erlaubt.This object is basically achieved by a lidar system according to claim 1. Appropriate embodiments of the invention are claimed in the subclaims. A core idea is that a phase modulation with superimposed frequency modulation is used, which in particular advantageously enables a change in beam direction with the aid of at least one waveguide and allows the use of a real-valued mixer.

Die Vorteile der Erfindung ergeben sich insbesondere aus der Tatsache, dass ein hochperformantes Lidarsystem durch hohe Halbleiterintegration zu geringem Preis und mit kleinem Bauraum realisiert werden kann.The advantages of the invention arise in particular from the fact that a high-performance lidar system can be realized through high semiconductor integration at a low price and with a small installation space.

Das erfindungsgemäße kohärent arbeitende Lidarsystem zur Umgebungserfassung sendet ein phasenmoduliertes Signal aus und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz, auf welche die Phase moduliert ist, sich zumindest abschnittsweise kontinuierlich ändert, vorzugsweise mit zumindest näherungsweise linearem Verlauf. Das phasenmodulierte Signal beinhaltet einen unregelmäßigen Wechsel über diskrete Phasenwerte; dabei gibt es vorzugsweise nur zwei um näherungsweise 180° unterschiedliche Phasenwerte.The coherent lidar system for environmental detection according to the invention emits a phase-modulated signal and is characterized in that the frequency to which the phase is modulated changes continuously at least in sections, preferably with an at least approximately linear progression. The phase-modulated signal contains an irregular change over discrete phase values; there are preferably only two phase values that differ by approximately 180°.

Vorzugsweise empfängt das Lidarsystem die von Objekten rückreflektierten Signale, welche gegenüber dem ausgesendeten Signal durch die entfernungsabhänge Laufzeit verzögert und in der Frequenz sowohl durch den relativgeschwindigkeitsabhängigen Dopplereffekt als auch durch die entfernungsabhängige Laufzeit bedingt durch die lineare Frequenzänderung verschoben sind, setzt sie durch Mischung in ein niederfrequentes Signal um und digitalisiert sie zu einer Empfangsfolge. Erfindungsgemäß wird in digitalen Signalverarbeitungsmitteln eine zweidimensionale Korrelationsfilterung zur Bestimmung der a priori unbekannten Dimensionen Zeitverschiebung und Frequenzverschiebung von an Objekten reflektierten Signalen durchführt, und jeweils aus der ermittelten Zeitverschiebung die Objektentfernung und aus der ermittelten Frequenzverschiebung abzüglich ihres durch die Zeitverschiebung bewirkten Beitrages die radiale Relativgeschwindigkeit des Objekts bestimmt. Die Korrelationsfilterung stellt eine Optimalfilterung dar, um eine möglichst genaue Bestimmung (d. h. hohe Sensitivität und Reichweite) des Lidarsystems zu gewährleisten.Preferably, the lidar system receives the signals reflected back from objects, which are delayed compared to the transmitted signal by the distance-dependent transit time and are shifted in frequency both by the relative speed-dependent Doppler effect and by the distance-dependent transit time caused by the linear frequency change, converts them into a low-frequency signal by mixing and digitizes them into a reception sequence. According to the invention, a two-dimensional correlation filtering is carried out in digital signal processing means to determine the a priori unknown dimensions of time shift and frequency shift of signals reflected from objects, and the object distance is determined from the determined time shift and the radial relative speed of the object is determined from the determined frequency shift minus its contribution caused by the time shift. The correlation filtering represents an optimal filtering in order to ensure the most accurate determination possible (i.e. high sensitivity and range) of the lidar system.

Vorzugsweise ist zumindest ein Teil des zweidimensionalen Korrelationsfilters durch eine als Pipeline (d. h. eine Struktur mit mehreren durch Zwischenspeicher getrennten Berechnungsstufen) ausgeführte festverdrahtete (d. h. in die Hardware implementierte und nicht zu ändernde) Digitalschaltung realisiert, wobei pro Takt der Digitalschaltung mehrere oder alle Ausgangswerte in einer der beiden Dimensionen bestimmt werden und über eine Folge von Takten in der anderen Dimension.Preferably, at least part of the two-dimensional correlation filter is implemented by a hard-wired (i.e. implemented in the hardware and not changeable) digital circuit designed as a pipeline (i.e. a structure with several calculation stages separated by buffers), wherein several or all output values in one of the two dimensions are determined per clock cycle of the digital circuit and via a sequence of clock cycles in the other dimension.

Zweckmäßigerweise kann die festverdrahtete Digitalschaltung eine vordere Stufe aufweisen, in welcher eine Signalfolge oder deren konjugiert komplexe Werte und eine Phasenmodulationsfolge oder deren konjugiert komplexe Werte mit einer zueinander verschobenen Lage multipliziert werden, gegebenenfalls gefolgt von einer Dezimation der aus dieser Multiplikation entstehenden Folge und/oder gegebenenfalls gefolgt von einer Erweiterung mit Nullen und gefolgt von einer in mehreren Stufen realisierten schnellen Fouriertransformation (FFT), wobei jede einzelne Rechenoperation in einer dedizierten Schaltung realisiert ist und von Takt zu Takt in der ersten Stufe die Verschiebung zwischen Signal- und Modulationsfolge geändert wird und am Ausgang der hinteren Stufe das Ergebnis einer Fouriertransformation entsteht, wobei sich dieses Ergebnis jeweils auf mehrere Zyklen zuvor erzeugte Ausgangsdaten der vorderen Stufe bezieht.The hard-wired digital circuit can expediently have a front stage in which a signal sequence or its conjugate complex values and a phase modulation sequence or its conjugate complex values are multiplied by a position shifted relative to one another, optionally followed by a decimation of the sequence resulting from this multiplication and/or optionally followed by an expansion with zeros and followed by a fast Fourier transformation (FFT) implemented in several stages, wherein each individual arithmetic operation is implemented in a dedicated circuit and from cycle to cycle in the first stage the shift between signal and modulation sequence is changed and the result of a Fourier transformation is produced at the output of the rear stage, wherein this result relates in each case to output data of the front stage generated several cycles previously.

Vorteilhafterweise kann die festverdrahtete Digitalschaltung auf Grund ihrer hohen Durchsatzrate für mehrere bzw. vorzugsweise alle Pixel des Lidarsystems benutzt werden, wobei diese Pixel insbesondere durch Scannen von Lichtstrahlen und/oder parallele Empfangspfade generiert sein können und sich jeweils ein Pixel auf eine Datenerfassung und -auswertung insbesondere zur Generierung einer Detektion bezieht.Advantageously, the hard-wired digital circuit can be used for several or preferably all pixels of the lidar system due to its high throughput rate, whereby these pixels can be generated in particular by scanning light beams and/or parallel reception paths and each pixel relates to data acquisition and evaluation, in particular for generating a detection.

Ferner kann eine binäre Phasenmodulation, also bestehend aus nur zwei um näherungsweise 180° unterschiedlichen Phasenwerten, benutzt werden, womit die Multiplikationen mit den Werten der Modulationsfolge durch schaltbare Invertierer realisierbar sind.Furthermore, a binary phase modulation, i.e. consisting of only two phase values that differ by approximately 180°, can be used, whereby the multiplications with the values of the modulation sequence can be realized by switchable inverters.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die für die schnelle Fouriertransformation benötigten Signalmultiplikationen mit Drehfaktoren mit wenigen Additionen und/oder Subtraktionen von verschobenen Signalwerten realisiert, wobei vorzugsweise maximal eine Addition oder Subtraktion zur Realisierung einer reellwertigen Multiplikation benutzt wird.According to an advantageous embodiment of the invention, the signal multiplications with rotation factors required for the fast Fourier transformation are realized with a few additions and/or subtractions of shifted signal values, wherein preferably a maximum of one addition or subtraction is used to realize a real-valued multiplication.

Vorzugsweise ändert sich die verwendete Bitlänge über die Pipelinestufen der festverdrahteten Digitalschaltung und ist vorzugsweise jeweils nur so groß, dass das in der Digitalschaltung erzeugte Quantisierungsrauschen nicht signifikant das Systemrauschen, welches im analogen Teil des Empfängers entsteht, erhöht.Preferably, the bit length used varies across the pipeline stages of the hardwired digital circuit and is preferably only so large that the quantization noise generated in the digital circuit does not significantly increase the system noise generated in the analog part of the receiver.

Vorteilhafterweise kann die schnelle Fouriertransformation in Form einer Struktur mit Dezimation in Frequenz ausgeführt werden, um ein Umsortieren der Eingangsdaten in Form von langen Leitungen zu vermeiden, sowie die längsten Leitungen der Struktur und die nichttrivialen Multiplikationen in den vorderen Stufen mit ihrer geringeren Bitlänge zu haben.Advantageously, the fast Fourier transform can be performed in the form of a structure with decimation in frequency in order to avoid reordering the input data in the form of long lines, as well as having the longest lines of the structure and the non-trivial multiplications in the front stages with their smaller bit length.

Zweckmäßigerweise kann zur Quantisierung ein Abschneiden und/oder zur Invertierung ein rein bitweises Invertieren benutzt werden und die Effekte der dabei entstehenden mittleren Fehler werden durch Addition von Korrekturwerten in einer Stufe der Digitalschaltung kompensiert.Conveniently, truncation can be used for quantization and/or purely bit-wise inversion for inversion, and the effects of the resulting mean errors are compensated by adding correction values in a stage of the digital circuit.

Ferner kann die festverdrahtete Digitalschaltung um eine oder mehrere weitere Stufen zur Auswertung des Ergebnisses der zweidimensionalen Korrelation erweitert werden, insbesondere zur Betrags- oder Leistungsbildung und nachgelagerten Summenbildung und/oder Maximumssuche.Furthermore, the hard-wired digital circuit can be extended by one or more further stages for evaluating the result of the two-dimensional correlation, in particular for magnitude or power formation and subsequent summation and/or maximum search.

Vorteilhafterweise können die im digitalisierten Empfangssignal enthaltenen Anteile von Verkopplungen und Reflektionen innerhalb des Lidarsystems oder von seiner unmittelbaren Umgebung, insbesondere einer Abdeckung, durch Addition oder Subtraktion einer Kompensationsfolge weitgehend eliminiert werden. Advantageously, the components of couplings and reflections contained in the digitized received signal within the lidar system or from its immediate surroundings, in particular a cover, can be largely eliminated by adding or subtracting a compensation sequence.

Zweckmäßigerweise können die im digitalisierten Empfangssignal enthaltenen Anteile von Verkopplungen und Reflektionen innerhalb des Lidarsystems oder von seiner unmittelbaren Umgebung, insbesondere einer Abdeckung, durch zumindest einen der nachfolgenden Ansätze kompensiert werden: Über Produkt aus Empfangsfolge und Modulationsfolge zu jeweils gleichem oder ähnlichem Zeitpunkt werden ein oder mehrere Mittelwerte bestimmt, wobei mehrere Mittelwerte durch Betrachtung mehrerer Abschnitte und/oder unterschiedlicher Phasenwertkombinationen der Phasenmodulationsfolge gebildet werden. Zur Bildung eines Mittelwerts über alle Werte des Produkts aus Empfangsfolge und Modulationsfolge wird der Ausgangswert der festverdrahteten Digitalschaltung, welcher zur Frequenz Null der Fouriertransformation und zur Verschiebung Null zwischen Signal- und Modulationsfolge in erster Stufe gehört, benutzt, vorzugsweise unter Aussetzung des Taktens der ersten Stufe während der Berechnung dieses Wertes. Es werden Mittelwerte über mehrere Erfassungszyklen und/oder unterschiedliche, bevorzugt nahe beieinanderliegende Pixel gebildet.The components of couplings and reflections contained in the digitized received signal within the lidar system or from its immediate surroundings, in particular a cover, can expediently be compensated by at least one of the following approaches: One or more average values are determined using the product of the received sequence and the modulation sequence at the same or similar time, with several average values being formed by considering several sections and/or different phase value combinations of the phase modulation sequence. To form an average over all values of the product of the received sequence and the modulation sequence, the output value of the hard-wired digital circuit, which belongs to the zero frequency of the Fourier transformation and to the zero shift between the signal and modulation sequence in the first stage, is used, preferably by suspending the clocking of the first stage during the calculation of this value. Average values are formed over several acquisition cycles and/or different, preferably closely spaced pixels.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die im digitalisierten Empfangssignal enthaltenen Anteile von Verkopplungen und Reflexionen innerhalb des Lidarsystems oder von seiner unmittelbaren Umgebung, insbesondere einer Abdeckung, durch eine Folge kompensiert, welche in der festverdrahteten Digitalschaltung durch vorzeichenrichtige Zuordnung von einem oder mehreren über das Produkt aus Empfangsfolge und Modulationsfolge bestimmten Mittelwerten gebildet wird.According to an advantageous embodiment of the invention, the components of couplings and reflections contained in the digitized received signal within the lidar system or from its immediate surroundings, in particular a cover, are compensated by a sequence which is formed in the hard-wired digital circuit by assigning, with the correct sign, one or more mean values determined via the product of the received sequence and the modulation sequence.

Die erfindungsgemäßen Ansätze zum Bestimmen und Realisieren der Korrekturwerte, durch welche die Effekte von Verkopplungen und Reflektionen innerhalb des Lidarsystems oder von seiner unmittelbaren Umgebung, insbesondere einer Abdeckung kompensiert werden, können auch ohne überlagerte Frequenzmodulation benutzt werden.The inventive approaches for determining and realizing the correction values by which the effects of couplings and reflections within the lidar system or from its immediate surroundings, in particular a cover, are compensated, can also be used without superimposed frequency modulation.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Empfangsfolge oder deren konjugiert komplexe Werte und die Phasenmodulationsfolge oder deren konjugiert komplexe Werte mit einer zueinander verschobenen Lage multipliziert, wobei die jeweilige Verschiebung zu einer Laufzeit korrespondiert. Die resultierende Produktfolge wird mit einer Folge von komplexen Drehfaktoren mit zumindest näherungsweise sich linear ändernder Phase multipliziert, wobei die Drehfaktoren für die jeweilige Laufzeit den Frequenzbeitrag der linearen Frequenzmodulation zumindest teilweise kompensieren, wobei gegebenenfalls zusätzlich noch ein Frequenzoffset realisiert wird. Gegebenenfalls wird danach eine Dezimation der Abtastrate der Folge durchgeführt. Danach folgt eine diskrete Fouriertransformation vorzugsweise realisiert über eine schnelle Fouriertransformation. Dieses Vorgehen wird für alle interessierenden Laufzeiten durchgeführt, wobei die Folge der komplexen Drehfaktoren sich über die jeweilige Zeitverschiebung ändert.According to an advantageous embodiment of the invention, the reception sequence or its conjugate complex values and the phase modulation sequence or its conjugate complex values are multiplied by a position shifted relative to one another, the respective shift corresponding to a runtime. The resulting product sequence is multiplied by a sequence of complex rotation factors with at least approximately linearly changing phase, the rotation factors for the respective runtime at least partially compensating the frequency contribution of the linear frequency modulation, with a frequency offset also being implemented if necessary. If necessary, a decimation of the sampling rate of the sequence is then carried out. This is followed by a discrete Fourier transformation, preferably implemented via a fast Fourier transformation. This procedure is carried out for all travel times of interest, whereby the sequence of the complex rotation factors changes over the respective time shift.

Bei einer nicht genau linearen Frequenzmodulation kann der Linearitätsfehler dadurch berücksichtigt werden, dass bei der zweidimensionalen Korrelationsfilterung die Empfangsfolge oder deren konjugiert komplexe Werte und die Phasenmodulationsfolge oder deren konjugiert komplexe Werte mit einer zueinander verschobenen Lage multipliziert werden, wobei die jeweilige Verschiebung zu einer Laufzeit korrespondiert. Die resultierende Produktfolge wird mit einer Folge von komplexen Drehfaktoren multipliziert, wobei die Drehfaktoren für die jeweilige Laufzeit den nicht konstanten Frequenzbeitrag der nichtlinearen Frequenzmodulation zumindest näherungsweise korrigieren. Danach folgt eine diskrete Fouriertransformation vorzugsweise realisiert über eine schnelle Fouriertransformation. Dieses Vorgehen wird für alle interessierenden Laufzeiten durchgeführt wird, wobei die Folge der komplexen Drehfaktoren zur Korrektur der Linearitätsfehler der Frequenzmodulation sich über die jeweilige Zeitverschiebung ändert.In the case of a frequency modulation that is not exactly linear, the linearity error can be taken into account by multiplying the reception sequence or its conjugate complex values and the phase modulation sequence or its conjugate complex values by a position shifted relative to one another during two-dimensional correlation filtering, with the respective shift corresponding to a running time. The resulting product sequence is multiplied by a sequence of complex rotation factors, with the rotation factors for the respective running time at least approximately correcting the non-constant frequency contribution of the non-linear frequency modulation. This is followed by a discrete Fourier transformation, preferably implemented via a fast Fourier transformation. This procedure is carried out for all running times of interest, with the sequence of complex rotation factors for correcting the linearity errors of the frequency modulation changing over the respective time shift.

Bevorzugterweise werden die Multiplikationen mit den komplexen Drehfaktoren zur Korrektur der Linearitätsfehler der Frequenzmodulation und/oder zur laufzeitabhängigen Frequenzverschiebung auch in der festverdrahten Digitalschaltung realisiert, wobei gegebenenfalls die jeweils zwei Drehfaktoren zusammengefasst werden können. Vorteilhafterweise werden diese Multiplikationen über einzelne programmierbare Strukturen mit geringer Genauigkeit im Bereich weniger Bits und damit geringem Aufwand realisiert.Preferably, the multiplications with the complex rotation factors for correcting the linearity errors of the frequency modulation and/or for the runtime-dependent frequency shift are also implemented in the hard-wired digital circuit, whereby the two rotation factors can be combined if necessary. Advantageously, these multiplications are implemented via individual programmable structures with low accuracy in the range of a few bits and thus with little effort.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die festverdrahtete Digitalschaltung eine vordere Stufe auf, in welcher eine Fouriertransformierte einer Signalfolge oder deren konjugiert komplexen Werte und eine Fouriertransformierte der Modulationsfolge oder deren konjugiert komplexen Werte mit einer zueinander verschobenen Lage multipliziert werden, gegebenenfalls gefolgt von einer Dezimation der aus dieser Multiplikation entstehenden Folge und/oder gegebenenfalls gefolgt einer Erweiterung mit Nullen und gefolgt von einer in mehreren Stufen realisierten schnellen inversen Fouriertransformation, wobei jede einzelne Rechenoperation in einer dedizierten Schaltung realisiert ist, von Takt zu Takt in der ersten Stufe die Verschiebung zwischen den beiden Fouriertransformierten geändert wird und am Ausgang der hinteren Stufe das Ergebnis einer inversen Fouriertransformation entsteht, wobei sich dieses Ergebnis jeweils auf mehrere Zyklen der zuvor erzeugten Ausgangsdaten der vorderen Stufe bezieht.In a further advantageous embodiment of the invention, the hard-wired digital circuit has a front stage in which a Fourier transform of a signal sequence or its conjugate complex values and a Fourier transform of the modulation sequence or its conjugate complex values are multiplied by a position shifted relative to one another, optionally followed by a decimation of the sequence resulting from this multiplication and/or optionally followed by an expansion with zeros and followed by a fast inverse Fourier transform implemented in several stages, wherein each individual arithmetic operation is implemented in a dedicated circuit, the shift between the two Fourier transforms is changed from cycle to cycle in the first stage and the result of an inverse Fourier transform is produced at the output of the rear stage, wherein this result relates in each case to several cycles of the previously generated output data of the front stage.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann bei Verwendung eines reellwertigen Mischers eine vorzeichenrichtige Bestimmung der Empfangsfrequenz und damit die eindeutige Bestimmung der Relativgeschwindigkeit von Objekten darauf basierend realisiert werden, dass insbesondere bei weiter entfernten Objekten wegen dem bekannten laufzeitabhängigen Anteil der Frequenzverschiebung nur eine Relativgeschwindigkeitshypothese möglich oder zumindest plausibler ist.According to an advantageous embodiment of the invention, when using a real-valued mixer, a determination of the reception frequency with the correct sign and thus the unambiguous determination of the relative speed of objects can be realized based on the fact that, particularly for more distant objects, only a relative speed hypothesis is possible or at least more plausible due to the known propagation time-dependent component of the frequency shift.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann bei Verwendung eines reellwertigen Mischers eine vorzeichenrichtige Bestimmung der Empfangsfrequenz und damit die eindeutige Bestimmung der Relativgeschwindigkeit von Objekten bei Verwendung eines reellwertigen Mischers dadurch realisiert werden, dass die Steilheit der Frequenzänderung variiert wird und für ein Objekt Daten zu unterschiedlicher Steilheit erfasst und ausgewertet werden und dabei benutzt wird, dass die beiden Frequenzverschiebungseffekte von Relativgeschwindigkeit und Laufzeit dann in unterschiedlicher Relation zueinander stehen.According to a further advantageous embodiment of the invention, when using a real-valued mixer, a determination of the reception frequency with the correct sign and thus the unambiguous determination of the relative speed of objects can be realized by using a real-valued mixer in that the steepness of the frequency change is varied and data of different steepness are recorded and evaluated for an object and it is used that the two frequency shift effects of relative speed and transit time are then in different relations to one another.

Zweckmäßigerweise kann das Vorzeichen, aber nicht der Betrag der Steilheit der Frequenzänderung variiert werden, so dass sich die beiden Frequenzverschiebungseffekte von Relativgeschwindigkeit und Laufzeit mit unterschiedlichem Vorzeichen aufaddieren und so das Vorzeichen der Empfangsfrequenz bestimmt werden kann.Conveniently, the sign, but not the amount of the steepness of the frequency change can be varied, so that the two frequency shift effects of relative velocity and propagation time add up with different signs and thus the sign of the reception frequency can be determined.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Frequenzänderung benutzt, um die Strahlrichtung zu ändern, insbesondere in zumindest abschnittsweise kontinuierlicher Art, um so Daten für mehrere Pixel unterschiedlicher Richtung erfassen zu können.According to an advantageous embodiment of the invention, the frequency change is used to change the beam direction, in particular in a continuous manner at least in sections, in order to be able to record data for several pixels in different directions.

Vorteilhafterweise kann die Strahlrichtungsänderung durch Frequenzänderung dadurch realisiert werden, dass ein Wellenleiter mit mehreren Koppelstellen, vorzugsweise in äquidistantem Raster auf einer Linie, zum Senden und Empfangen benutzt wird.Advantageously, the beam direction change by frequency change can be realized by using a waveguide with several coupling points, preferably in an equidistant grid on a line, for transmission and reception.

Vorzugsweise wird die Strahlrichtungsänderung durch Frequenzänderung für eine erste Raumrichtung benutzt und es gibt eine weitere Vorrichtung zur Strahlrichtungsänderung für eine zweite Raumrichtung, welche zur ersten zumindest näherungsweise senkrecht steht, wobei vorzugsweise eine der beiden Raumrichtungen horizontal ist und die andere dann vertikal.Preferably, the beam direction change by frequency change is used for a first spatial direction and there is a further device for beam direction change for a second spatial direction, which is at least approximately perpendicular to the first, wherein preferably one of the two spatial directions is horizontal and the other vertical.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Strahlrichtungsänderung dadurch realisiert, dass Material durchstrahlt oder von Material reflektiert wird, bei welchem wenigstens eine optische Materialeigenschaft durch eine Steuergröße, insbesondere durch Anlegen von Spannung oder Durchfließen von Strom, geändert wird, wobei die Steuergröße und damit die Änderung der optischen Materialeigenschaft örtlich unterschiedlich sein kann.In an advantageous embodiment of the invention, a change in beam direction is realized by irradiating material or reflecting it from material in which at least one optical material property is changed by a control variable, in particular by applying voltage or passing current through it, wherein the control variable and thus the change in the optical material property can be locally different.

In bevorzugter Weise wird für Strahlrichtungsänderung für zweite Raumrichtung ein Körper aus vorzugsweise monolithischem Material durchstrahlt, welcher in Orientierungsrichtung des Wellenleiters einen konstanten, insbesondere dreieckförmigem Querschnitt aufweist und gegebenenfalls mit einer ebenfalls in dieser Dimension konstanten Querschnitt aufweisenden Linse für eine Strahlbündelung für die zweite Raumrichtung kombiniert sein kann, wobei die elektrische Steuergröße zum Verändern der optischen Eigenschaft bezüglich der Orientierungsrichtung des Körpers mit konstantem Körperquerschnitt angelegt ist.Preferably, for beam direction change for the second spatial direction, a body made of preferably monolithic material is irradiated, which has a constant, in particular triangular, cross-section in the orientation direction of the waveguide and can optionally be combined with a lens also having a constant cross-section in this dimension for beam bundling for the second spatial direction, wherein the electrical control variable is designed to change the optical property with respect to the orientation direction of the body with a constant body cross-section.

Ferner kann für Strahlrichtungsänderung für zweite Raumrichtung ein ebenes transparentes oder reflektierendes Flüssigkristallelement mit eindimensionaler Gitterstruktur und Steuerung über eine Spannung eingesetzt werden.Furthermore, a flat transparent or reflective liquid crystal element with a one-dimensional lattice structure and control via a voltage can be used to change the beam direction for a second spatial direction.

Vorteilhafterweise kann für Strahlrichtungsänderung für zweite Raumrichtung ein transparentes oder reflektierendes Flüssigkristall-Array eingesetzt werden, wobei dieses Flüssigkristall-Array in Orientierungsrichtung des Wellenleiters jeweils nur wenige Elemente, vorzugsweise nur ein einziges, dann stabförmiges Element aufweist, vorzugsweise dieses Flüssigkristall-Array auch zur alleinigen Strahlbündelung oder Unterstützung der Strahlbündelung einer Linse für die zweite Raumrichtung benutzt wird und vorzugsweise mit Hilfe des Flüssigkristall-Arrays auch Fertigungstoleranzen der optisch relevanten Komponenten und ihrer Anordnung zueinander kompensiert werden.Advantageously, a transparent or reflective liquid crystal array can be used for beam direction change for the second spatial direction, wherein this liquid crystal array has only a few elements in the orientation direction of the waveguide, preferably only a single, then rod-shaped element, preferably this liquid crystal array is also used for beam bundling alone or to support the beam bundling of a lens for the second spatial direction and preferably with the help of the liquid crystal array, manufacturing tolerances of the optically relevant components and their arrangement relative to one another are also compensated.

Zweckmäßigerweise kann es mehrere parallel arbeitende Sende-Empfangspfade mit jeweils einem Wellenleiter für Strahlrichtungsänderung in erster Raumrichtung durch Frequenzänderung, vorzugsweise gespeist von einer gemeinsamen Laserquelle mit nachfolgender Phasenmodulation geben, wobei diese mehreren Sende-Empfangspfade in zumindest eine der beiden Raumrichtungen parallel unterschiedliche Strahlrichtungen erschließen.Expediently, there can be several transmit-receive paths operating in parallel, each with a waveguide for changing the beam direction in the first spatial direction by changing the frequency, preferably fed by a common laser source with subsequent phase modulation, whereby these several transmit-receive paths open up different beam directions in parallel in at least one of the two spatial directions.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden unterschiedliche Strahlrichtungen in der zweiten Raumrichtung sowohl durch mehrere parallel arbeitende Sende-Empfangspfade mit vorzugsweise gleichartig strahlenden und parallel nebeneinanderliegenden Wellenleitern als auch durch Änderung der optischen Eigenschaft eines durchstrahlten oder reflektierenden Materials über eine elektrische Steuergröße erzeugt, und die Strahlrichtungen durch mehrere parallel arbeitende Sende-Empfangspfade für jeweils eine Ansteuerung des durchstrahlten oder reflektierenden Materials adressieren entweder eine Gruppe direkt benachbarter Pixel oder eine Gruppe mit zumindest teilweise weiter auseinanderliegenden Pixel, wobei die Ansteuerung des durchstrahlten bzw. reflektierenden Materials sukzessive so geändert wird, dass der gesamte interessierende Strahlrichtungsbereich abgedeckt wird, gegebenenfalls mit größerem Winkelabstand der Pixel nach außen hin über eine nichtäquidistante Anordnung der nebeneinanderliegenden Wellenleiter insbesondere mit beabstandeten Gruppen von Wellenleitern, wobei der Abstand innerhalb einer Gruppe nach außen hin zunimmt, und mit dann vorzugsweise nach außen hin zunehmender optischer Strahlbreite in zweiter Raumrichtung.According to an advantageous embodiment of the invention, different beam directions in the second spatial direction are generated both by several parallel transmitting/receiving paths with preferably similarly radiating waveguides lying parallel to one another and by changing the optical properties of a material being irradiated or reflected via an electrical control variable, and the beam directions through several parallel transmitting/receiving paths for each control of the material being irradiated or reflected address either a group of directly adjacent pixels or a group with pixels that are at least partially further apart, wherein the control of the material being irradiated or reflected is successively changed so that the entire beam direction range of interest is covered, optionally with a larger angular distance between the pixels towards the outside via a non-equidistant arrangement of the waveguides lying next to one another, in particular with spaced-apart groups of waveguides, wherein the distance within a group increases towards the outside, and with the optical beam width in the second spatial direction then preferably increasing towards the outside.

Vorzugsweise können parallel und nahe nebeneinanderliegende Wellenleiter unterschiedlich sein, um durch gleiche Frequenzänderung unterschiedliche Strahlrichtungsbereiche in erster Raumrichtung zu erschließen, so dass durch einen einzelnen Wellenleiter nur noch ein Teil des Strahlrichtungsbereichs in erster Raumrichtung abgedeckt wird.Preferably, waveguides arranged parallel and close to one another can be different in order to open up different beam direction ranges in the first spatial direction by means of the same frequency change, so that only a part of the beam direction range in the first spatial direction is covered by a single waveguide.

In vorteilhafter Weise kann die Strahlrichtungsänderung in zweite Raumrichtung in kontinuierlicher Weise mit Hilfe eines elektronischen oder mechanischen Ansatzes realisiert werden, wodurch eine langsames Scannen über Frequenzänderung in erster Raumrichtung insbesondere dadurch ermöglicht wird, dass während einem kompletten Scan in zweite Raumrichtung das Scannen über kontinuierliche Frequenzänderung in erste Raumrichtung nur jeweils etwa ein Pixel voranschreitet.Advantageously, the beam direction change in the second spatial direction can be realized in a continuous manner with the aid of an electronic or mechanical approach, whereby a slow scanning via frequency change in the first spatial direction is made possible in particular by the fact that during a complete scan in the second spatial direction, the scanning via continuous frequency change in the first spatial direction only progresses by approximately one pixel at a time.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gibt es mehrere parallel arbeitende und vorzugsweise von einer gemeinsamen Laserquelle gespeiste Sende-Empfangspfade mit jeweils einer Schaltmatrix zur sequenziellen Umschaltung innerhalb einer jeweiligen Gruppe von Wellenleitern, wobei die vorzugsweise gleichartigen Wellenleiter jeweils für Strahlrichtungsänderung in erster Raumrichtung durch Frequenzänderung benutzt werden und alle so nebeneinanderliegend angeordnet sind, dass sie die zweite Raumrichtung komplett erschließen, gegebenenfalls mit größerem Winkelabstand der Pixel nach außen hin über eine nichtäquidistante Anordnung der nebeneinanderliegenden Wellenleiter und mit dann vorzugsweise nach außen hin zunehmender optischer Strahlbreite in zweiter Raumrichtung.In a further advantageous embodiment of the invention, there are several transmit-receive paths operating in parallel and preferably fed by a common laser source, each with a switching matrix for sequential switching within a respective group of waveguides, wherein the preferably similar waveguides are each used for beam direction change in the first spatial direction by frequency change and are all arranged next to one another in such a way that they completely open up the second spatial direction, optionally with a larger angular distance of the pixels towards the outside via a non-equidistant arrangement of the adjacent waveguides and with then preferably increasing optical beam width towards the outside in the second spatial direction.

In einem weiteren erfindungsgemäßen Lidarsystem gibt es einen Sende-Empfangspfad mit einer Schaltmatrix zur sequenziellen Umschaltung zwischen mehreren vorzugsweise parallel und nahe nebeneinanderliegenden Wellenleitern, wobei die Wellenleiter unterschiedlich sind, um durch jeweils gleichartige Frequenzänderung unterschiedliche Strahlrichtungsbereiche in erster Raumrichtung zu erschließen, so dass durch einen einzelnen Wellenleiter nur noch ein Teil des Strahlrichtungsbereichs in erster Raumrichtung abgedeckt wird und der benötigte Frequenzdurchstimmbereich der Laserquelle reduziert ist, und die Strahlrichtungsänderung in zweite Raumrichtung in kontinuierlicher Weise mit Hilfe eines elektronischen oder mechanischen Ansatzes realisiert wird, wodurch eine langsames Scannen über Frequenzänderung in erster Raumrichtung insbesondere dadurch ermöglicht wird, dass während einem kompletten Scan in zweite Raumrichtung das Scannen über kontinuierliche Frequenzänderung in erste Raumrichtung nur etwa ein Pixel voranschreitet.In a further lidar system according to the invention, there is a transmission-reception path with a switching matrix for sequential switching between several waveguides that are preferably parallel and close to one another, wherein the waveguides are different in order to open up different beam direction ranges in the first spatial direction by means of a frequency change of the same type, so that only a part of the beam direction range in the first spatial direction is covered by a single waveguide and the required frequency tuning range of the laser source is reduced, and the beam direction change in the second spatial direction is realized in a continuous manner with the aid of an electronic or mechanical approach, whereby slow scanning via frequency change in the first spatial direction is made possible in particular by the fact that during a complete scan in the second spatial direction, the scanning via continuous frequency change in the first spatial direction only progresses by about one pixel.

Vorteilhafterweise kann die Strahlrichtungsänderung durch Frequenzänderung unterschiedlich schnell sein, insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem zentralen Bereich langsamer ist als in äußeren Bereichen.Advantageously, the beam direction change by frequency change can be of different speeds, in particular characterized in that it is slower in a central region than in outer regions.

Zweckmäßigerweise kann die Frequenzänderung zur Strahlrichtungsänderung durch eine oder mehrere in der Frequenz verstimmbare Laserquelle generiert werden, wobei bei Benutzung mehrerer Laserquellen jede einzelne nur einen Teil des zur Strahlrichtungsänderung benötigten Frequenzbereichs abdeckt.Conveniently, the frequency change for changing the beam direction can be generated by one or more frequency-tunable laser sources, whereby when using several laser sources each one only covers a part of the frequency range required for changing the beam direction.

Die erfindungsgemäßen Ansätze mit einer Sende-Empfangs-Einheit mit einem oder mehreren Wellenleitern für Scannen über Frequenz in erste Raumrichtung und einem Scanner für zweite Raumrichtung können auch in Kombination mit anderen Modulationsformen benutzt werden, insbesondere wenn die Frequenz schrittweise geändert wird, oder sogar für nichtkohärente Lidarsysteme.The inventive approaches with a transmit-receive unit with one or more waveguides for scanning via frequency in a first spatial direction and a scanner for a second spatial direction can also be used in combination with other forms of modulation, in particular when the frequency is changed stepwise, or even for non-coherent lidar systems.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Verwendung eines reellwertigen Mischers eine vorzeichenrichtige Bestimmung der Empfangsfrequenz und damit die eindeutige Bestimmung der Relativgeschwindigkeit von Objekten dadurch realisiert, dass die Frequenzänderung zur Strahlrichtungsänderung in der ersten Raumrichtung unterschiedliches, insb. alternierendes Vorzeichen über unterschiedliche Strahlrichtungen der zweiten Raumrichtung aufweist und dieses unterschiedliche Vorzeichen in unterschiedlichen, insbesondere benachbarten Strahlrichtungsebenen, in welchen dasselbe Objekt detektiert wird, dazu führt, dass sich die beiden Frequenzverschiebungseffekte von Relativgeschwindigkeit und Laufzeit mit unterschiedlichem Vorzeichen aufaddieren und so das Vorzeichen der Empfangsfrequenz bestimmt werden kann.In a further advantageous embodiment of the invention, when using a real-valued mixer, a determination of the reception frequency with the correct sign and thus the unambiguous determination of the relative speed of objects is realized in that the frequency change for the beam direction change in the first spatial direction has a different, in particular alternating sign across different beam directions of the second spatial direction and this different sign in different, in particular adjacent beam direction planes in which the same object is detected leads to the two frequency shift effects of relative speed and transit time adding up with different signs and thus the sign of the reception frequency can be determined.

Vorteilhafterweise können bei einem Lidarsystem, bei dem es insbesondere durch Fehlausrichtung, durch nicht genau bekannte Frequenzen und/oder durch nicht genau bekannte Abhängigkeit der optischen Eigenschaft von der Steuergröße zu Abweichungen in den Strahlrichtungen kommen kann, diese Abweichung aus den gemessenen radialen Relativgeschwindigkeiten von stationären Objekten bestimmt werden, um diese Abweichungen später zu berücksichtigen und/oder zu korrigieren.Advantageously, in a lidar system in which deviations in the beam directions can occur, in particular due to misalignment, due to frequencies that are not precisely known and/or due to the dependence of the optical property on the control variable that is not precisely known, this deviation can be determined from the measured radial relative velocities of stationary objects in order to later take these deviations into account and/or correct them.

Zweckmäßgerweise kann für stationäre Objekte die Straßenoberfläche benutzt werden, vorzugsweise mit Bestimmung ihres Winkels in vertikale Richtung aus der gemessenen Entfernung und der Sensoreinbauhöhe.For stationary objects, the road surface can be used, preferably by determining its angle in the vertical direction from the measured distance and the sensor installation height.

Der erfindungsgemäße Ansatz zur Bestimmung von Abweichungen in den Strahlrichtungen ist auch bei anderen Modulationsformen nutzbar, da er im Wesentlichen nur auf der inhärent gegebenen Dopplermessfähigkeit von kohärenten Lidarsystem basiert.The inventive approach for determining deviations in the beam directions can also be used with other forms of modulation, since it is essentially based only on the inherent Doppler measurement capability of coherent lidar systems.

Vorzugsweise werden die Vorrichtungen zur Änderung der Strahlrichtung dazu benutzt, eine Fehlausrichtung auszugleichen und/oder den Erfassungsbereich adaptiv, insbesondere abhängig von der Verkehrssituation, anzupassen.Preferably, the devices for changing the beam direction are used to compensate for a misalignment and/or to adapt the detection range adaptively, in particular depending on the traffic situation.

Für eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Lidarsystems wird ein phasenmoduliertes Signal ausgesendet, wobei die Phase dieses Signals durch Schalten zwischen diskreten Werten, also aus einer Folge von Phasenwerten erzeugt wird und die Zeitpunkte dieses Phasenschaltens eine Untermenge eines äquidistanten Zeitrasters bilden. Dabei beinhaltet die Phasenmodulationsfolge zwei sequenziell angeordnete oder zwei periodisch ineinander geschachtelte Folgen, wobei die erste Folge konstante oder periodische, insbesondere alternierende Phasenwerte aufweist, während die zweite Folge im Wesentlichen unregelmäßig zwischen Phasenwerten wechselt. Erfindungsgemäß ändert sich die Frequenz, auf welche die Phase moduliert ist, zumindest abschnittsweise kontinuierlich, vorzugsweise mit zumindest näherungsweise linearem Verlauf.For a further embodiment of the lidar system according to the invention, a phase-modulated signal is emitted, the phase of this signal being generated by switching between discrete values, i.e. from a sequence of phase values, and the times of this phase switching forming a subset of an equidistant time grid. The phase modulation sequence contains two sequentially arranged or two periodically nested sequences, the first sequence having constant or periodic, in particular alternating phase values, while the second sequence essentially changes irregularly between phase values. According to the invention, the frequency to which the phase is modulated changes continuously, at least in sections, preferably with an at least approximately linear progression.

Vorzugsweise wird dabei eine binäre Phasenmodulation, also bestehend aus nur zwei um näherungsweise 180° unterschiedlichen Phasenwerten, benutzt und die zweite Folge wechselt entweder pseudozufällig zwischen diesen zwei Phasenwerten oder besteht aus einem Code, dessen Autokorrelierte geringe Nebenkeulen aufweist.Preferably, a binary phase modulation is used, i.e. consisting of only two phase values that differ by approximately 180°, and the second sequence either alternates pseudorandomly between these two phase values or consists of a code whose autocorrelates have low side lobes.

Zweckmäßigerweise können die von Objekten rückreflektierten Signale, welche gegenüber dem ausgesendeten Signal durch die entfernungsabhänge Laufzeit verzögert und in der Frequenz sowohl durch den relativgeschwindigkeitsabhängigen Dopplereffekt als auch durch die entfernungsabhänge Laufzeit bedingt durch die lineare Frequenzänderung verschoben sind, empfangen und durch Mischung in ein niederfrequentes Signal umgesetzt sowie in eine Empfangsfolge digitalisiert werden. Aus dieser Empfangsfolge werden in digitalen Signalverarbeitungsmitteln die variablen Dimensionen Zeitverschiebung und Frequenzverschiebung von an Objekten reflektierten Signalen bestimmt, wobei die erste Phasenmodulationsfolge mit konstanten oder periodischen Phasenwerten primär zur Bestimmung der Frequenzverschiebung dient und die zweite Phasenmodulationsfolge mit unregelmäßigem Wechsel zwischen Phasenwerten der Bestimmung der Zeitverschiebung. Erfindungsgemäß werden jeweils aus der ermittelten Zeitverschiebung die Objektentfernung und aus der ermittelten Frequenzverschiebung abzüglich ihres durch die Zeitverschiebung bewirkten Beitrages die radiale Relativgeschwindigkeit des Objekts berechnet.The signals reflected back from objects, which are delayed compared to the transmitted signal by the distance-dependent propagation time and are shifted in frequency both by the relative speed-dependent Doppler effect and by the distance-dependent propagation time caused by the linear frequency change, can be received and converted into a low-frequency signal by mixing and digitized into a reception sequence. From this reception sequence, the variable dimensions of time shift and frequency shift of signals reflected from objects are determined in digital signal processing means, whereby the first phase modulation sequence with constant or periodic phase values is primarily used to determine the frequency shift and the second phase modulation sequence with irregular changes between phase values is used to determine the time shift. According to the invention, the object distance is calculated from the determined time shift and the radial relative speed of the object is calculated from the determined frequency shift minus the contribution caused by the time shift.

Vorzugsweise werden die beiden Phasenmodulationsfolgen alternierend ineinander geschachtelt, d. h. mit Periode zwei bezogen auf die Modulationsrate.Preferably, the two phase modulation sequences are nested alternately, i.e. with period two related to the modulation rate.

Zweckmäßigerweise wird eine aus zwei periodisch ineinander geschachtelten Folgen bestehende Phasenmodulationsfolge periodisch wiederholt, wobei insbesondere bei einem kontinuierlichen Scannen des Laserstrahls die zyklische Eigenschaft der Modulations- und Empfangsfolge ausgenutzt und eine Erfassung in jeweils unterschiedlichen Richtungen realisiert wird.Advantageously, a phase modulation sequence consisting of two periodically nested sequences is repeated periodically, whereby the cyclical property of the modulation and reception sequence is exploited, particularly in the case of continuous scanning of the laser beam, and detection is realized in different directions.

Vorzugsweise wird der Laserstrahl kontinuierlich gescannt und für die sukzessiven Erfassungsrichtungen überlappende Ausschnitte einer langen, gegebenenfalls periodischen Phasenmodulationsfolge, welche zwei periodisch ineinander geschachtelte Folgen beinhaltet, benutzt.Preferably, the laser beam is scanned continuously and overlapping sections of a long, possibly periodic phase modulation sequence, which includes two periodically nested sequences, are used for the successive detection directions.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden nachfolgende Schritte durchgeführt, wobei das Ineinanderschachteln der zwei Folgen bezüglich der Abtastzeit der Empfangsfolge die Periode N1 aufweisen soll: Zur Bestimmung der Frequenzverschiebung von Objekten werden N1 diskrete Fouriertransformationen vorzugsweise mit Hilfe schneller Fouriertransformationen über Werte der Empfangsfolge aus dem periodischen Raster der ersten Folge, gegebenenfalls unterbrochen von Nullen oder erweitert mit Nullen, sowie aus N1-1 Verschiebungen dieses Rasters, wobei die Verschiebung um jeweils einen Rasterwert zunimmt, berechnet. In jeder dieser N1 diskreten Fouriertransformierten wird die jeweiligen Frequenzen von Betragsspitzen, die über einer Detektionsschwelle liegen, bestimmt. Zu den jeweiligen Frequenzen und den jeweiligen Rasterverschiebungen wird die Empfangsfolge im periodischen und entsprechend verschobenen Raster der zweiten Folge in der Frequenz zurückgedreht. Jeweils zwischen der so generierten Folge und der zweiten Modulationsfolge wird eine Korrelation bestimmt. Und aus Werten dieser Korrelation, insbesondere von über einer Detektionsschwelle liegenden Betragsspitzen, sowie der jeweiligen Rasterverschiebung werden die jeweilige Zeitverschiebung und damit Objektentfernung sowie aus der jeweiligen Frequenz abzüglich ihres durch die Zeitverschiebung bewirkten Beitrages die radiale Relativgeschwindigkeit des jeweiligen Objekts bestimmt, wobei gegebenenfalls Mehrdeutigkeiten in der Frequenz mit Hilfe der Phasenbeziehung zwischen Werten der diskrete Fouriertransformierten und der Korrelation gelöst werden.In a further advantageous embodiment of the invention, the following steps are carried out, whereby the nesting of the two sequences with respect to the sampling time of the reception sequence should have the period N 1 : To determine the frequency shift of objects, N 1 discrete Fourier transformations are calculated, preferably with the aid of fast Fourier transformations, over values of the reception sequence from the periodic grid of the first sequence, possibly interrupted by zeros or extended with zeros, as well as from N 1 -1 shifts of this grid, whereby the shift increases by one grid value in each case. In each of these N 1 discrete Fourier transforms, the respective frequencies of magnitude peaks that lie above a detection threshold are determined. At the respective frequencies and the respective grid shifts, the reception sequence in the periodic and correspondingly shifted grid of the second sequence is rotated back in frequency. A correlation is determined between the sequence generated in this way and the second modulation sequence. And from values of this correlation, in particular from magnitude peaks above a detection threshold, as well as the respective grid shift, the respective time shift and thus object distance are determined, as well as from the respective frequency minus its contribution caused by the time shift, the radial relative velocity of the respective object, whereby any ambiguities in the frequency are resolved with the help of the phase relationship between values of the discrete Fourier transform and the correlation.

Vorteilhafterweise kann zur Bestimmung der Betragsspitzen der diskreten Fouriertransformierten eine erste Detektionsschwelle benutzt werden, an den Betragsspitzen werden jeweils der komplexe Wert der diskreten Fouriertransformierten und der jeweilige komplexe Wert der zugehörigen Korrelation an deren Betragsspitzen gegebenenfalls mehrfach unter Kompensation der möglichen Phasenverschiebungen aufaddiert und diese Summen werden auf eine zweite Detektionsschwelle geprüft, wobei die erste Detektionsschwelle weniger hoch über dem Rauschen liegt.Advantageously, a first detection threshold can be used to determine the magnitude peaks of the discrete Fourier transform; at the magnitude peaks, the complex value of the discrete Fourier transform and the respective complex value of the associated correlation at their magnitude peaks are added together, if necessary several times while compensating for possible phase shifts, and these sums are checked for a second detection threshold, whereby the first detection threshold is less high above the noise.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Lage der Straßenoberfläche insbesondere in größeren Entfernungen dadurch bestimmt, dass für eine bessere Unterscheidung vom Systemrauschen bei jeweils gleichem vertikalem Winkel über mehrere Pixel zu unterschiedlichen, insbesondere benachbarten horizontalen Winkeln und/oder innerhalb eines Pixels über unterschiedliche, insbesondere benachbarte Entfernungen die Leistung einer Korrelation oder das komplexwertige Produkt zwischen einer ersten Korrelation und dem konjugiert Komplexen einer zweiten Korrelation aufsummiert wird, wobei für den Fall des Produkts aus zwei Korrelationen deren Empfangssignale zumindest teilweise von gleichen Reflektionspunkten auf der Straße stammen, insbesondere durch alternierende Zuordnung der Werte der Empfangsfolge.In a further advantageous embodiment of the invention, the position of the road surface is determined, in particular at greater distances, in that the power of a correlation or the complex-valued product between a first correlation and the conjugate complex of a second correlation is summed up for better differentiation from system noise at the same vertical angle across several pixels at different, in particular adjacent, horizontal angles and/or within a pixel over different, in particular adjacent distances, wherein in the case of the product of two correlations, their received signals originate at least partially from the same reflection points on the road, in particular by alternating assignment of the values of the received sequence.

Dieser erfindungsgemäße Ansatz zur Bestimmung der Lage der Straßenoberfläche in größeren Entfernungen kann auch bei anderen Modulationsformen, also beispielweise der reinen linearen Frequenzmodulation (meist aus zwei Frequenzrampen bestehend, deren Steigung entgegengesetztes Vorzeichen haben), benutzt werden. Die benutzten Korrelationswerte beruhen dann auf einer entsprechend anderen Korrelationsberechnung, bei rein linearer Frequenzmodulation in Form einer FFT pro Frequenzrampe.This inventive approach for determining the position of the road surface at greater distances can also be used with other forms of modulation, for example pure linear frequency modulation (usually consisting of two frequency ramps whose slopes have opposite signs). The correlation values used are then based on a correspondingly different correlation calculation, with pure linear frequency modulation in the form of one FFT per frequency ramp.

Zweckmäßgerweise kann bei Verwendung eines reellwertigen Mischers eine vorzeichenrichtige Bestimmung der Empfangsfrequenz und damit die eindeutige Bestimmung der Relativgeschwindigkeit von Objekten dadurch realisiert werden, dass es unter den für die Phasenmodulation in unregelmäßiger Folge benutzten diskreten Phasenwerten wenigstens zwei gibt, die weder gleichphasig noch gegenphasig sind, die Korrelation zwischen frequenzverschobener Empfangsfolge und komplexwertiger Modulationsfolge oder ihrem konjugiert Komplexen für unterschiedliche Empfangsfrequenzen berechnet wird und zur Identifikation des Vorzeichens der Empfangsfrequenz ausgenutzt wird, dass diese Korrelation bei positiven und negativen Empfangsfrequenzen unterschiedlichen Pegel aufweist.When using a real-valued mixer, a determination of the reception frequency with the correct sign and thus the unambiguous determination of the relative speed of objects can be conveniently achieved by having at least two of the discrete phase values used for the phase modulation in irregular sequence that are neither in phase nor out of phase, calculating the correlation between the frequency-shifted reception sequence and the complex-valued modulation sequence or its conjugate complex for different reception frequencies and using the fact that this correlation has different levels for positive and negative reception frequencies to identify the sign of the reception frequency.

Vorteilhafterweise wird ein Satz von mindestens drei Phasenwerten benutzt, welche über eine Umdrehung nominal gleichverteilt sind, aber von diesen nominalen Positionen auch deutlich abweichen dürfen.Advantageously, a set of at least three phase values is used which are nominally evenly distributed over one revolution, but may also deviate significantly from these nominal positions.

Vorzugsweise werden die Phasenwerte durch Schalten zwischen Leitungen leicht unterschiedlicher Länge oder durch Kombination von Schalten zwischen Leitungen leicht unterschiedlicher Länge und einem schaltbaren Invertierer realisiert.Preferably, the phase values are realized by switching between lines of slightly different lengths or by a combination of switching between lines of slightly different lengths and a switchable inverter.

Der erfindungsgemäße Ansatz zur Vorzeichenbestimmung der Empfangsfrequenz bei reellwertigem Mischer mit Hilfe einer Phasenmodulation, welche wenigstens zwei weder gleich- noch gegenphasige Phasenwerte beinhaltet, kann auch ohne überlagerte Frequenzmodulation benutzt werden.The inventive approach for determining the sign of the reception frequency in a real-valued mixer using a phase modulation which includes at least two phase values which are neither in phase nor in antiphase can also be used without superimposed frequency modulation.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Überwachung der Vorrichtungen zur Strahlrichtungsänderung, insbesondere zur Gewährung der Augensicherheit, dadurch realisiert, dass in jeweiliger Raumrichtung Empfangssignale hinsichtlich Objektreflektionen oder hinsichtlich der Anteile von internen Reflektionen und Verkopplungen sowie Reflektionen einer Abdeckung auf Änderungen geprüft werden.In a further advantageous embodiment of the invention, monitoring of the devices for changing the beam direction, in particular for ensuring eye safety, is realized by checking received signals for changes in the respective spatial direction with regard to object reflections or with regard to the proportions of internal reflections and couplings as well as reflections of a cover.

Das erfindungsgemäße Lidarsystem umfasst insbesondere nachfolgende drei Hauptkomponenten, deren elektronische Anteile sich vorzugsweise auf derselben Platine befinden: erstens aus einem photonischen Chip, insbesondere enthaltend eine in Frequenz verstimmbare Laserquelle, eine Phasenmodulationseinheit bestehend aus einem schaltbaren Invertierer, parallele Sende-Empfangspfade und Wellenleiter, zweitens aus einem Digitalchip insbesondere enthaltend Analog-Digital-Wandler, eine festverdrahte Rechenlogik zur Bestimmung einer zweidimensionalen Korrelation mit nachgelagerter Auswertung, einen oder mehrere Mikrocontroller und/oder DSPs sowie Mittel zur Generierung von Steuersignalen und drittens aus einem Scanner für eine Raumrichtung realisiert durch Material mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften, insbesondere ein Flüssigkristallelement oder ein Flüssigkristall-Array, oder durch Schaltmatrix für jeden der parallelen Sende-Empfangspfade oder durch mechanischen Ansatz.The lidar system according to the invention comprises in particular the following three main components, the electronic parts of which are preferably located on the same circuit board: firstly, a photonic chip, in particular containing a frequency-tunable laser source, a phase modulation unit consisting of a switchable inverter, parallel transmission-reception paths and waveguides, secondly, a digital chip, in particular containing analog-digital converters, a hard-wired computing logic for determining a two-dimensional correlation with downstream evaluation, one or more microcontrollers and/or DSPs and means for generating control signals and thirdly, a scanner for a spatial direction realized by material with electrically controllable optical properties, in particular a liquid crystal element or a liquid crystal array, or by a switching matrix for each of the parallel transmission-reception paths or by a mechanical approach.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

  • 1 zeigt das kohärente Lidarsystem mit binärer Phasenmodulation. 1 shows the coherent lidar system with binary phase modulation.
  • 2 zeigt den Verlauf der pseudozufälligen binären Phasenmodulation. 2 shows the course of the pseudorandom binary phase modulation.
  • In 3 ist der Realteil des niederfrequenten analogen Empfangssignals für ein Objekt dargestellt.In 3 the real part of the low-frequency analog received signal for an object is shown.
  • 4 zeigt die zweidimensionale Korrelation des Empfangssignals für zwei Objekte. 4 shows the two-dimensional correlation of the received signal for two objects.
  • In 5 ist die lineare Änderung der Sendefrequenz während der Phasenmodulation dargestellt.In 5 the linear change of the transmission frequency during phase modulation is shown.
  • 6 zeigt die zur Sendefrequenz zeitlich verschobene Empfangsfrequenz im Falle keiner Dopplerverschiebung (also bei Relativgeschwindigkeit Null). 6 shows the received frequency shifted in time to the transmitted frequency in the case of no Doppler shift (i.e. at zero relative velocity).
  • 7 zeigt die zweidimensionale Korrelation des Empfangssignals für zwei Objekte für eine der Phasenmodulation überlagerte lineare Frequenzänderung. 7 shows the two-dimensional correlation of the received signal for two objects for a linear frequency change superimposed on the phase modulation.
  • 8 zeigt die aufwandsoptimierte festverdrahtete Digitalschaltung zur Realisierung der zweidimensionalen Korrelationsfilterung; dabei zeigt 8a eine Übersicht und in 8b-8d sind die drei Blöcke detailliert dargestellt. 8 shows the effort-optimized hard-wired digital circuit for the realization of the two-dimensional correlation filtering; 8a an overview and in 8b-8d the three blocks are shown in detail.
  • In 9 ist die aufwandsoptimierte Realisierung eines komplexwertigen Multiplizierers für einen beispielhaften Drehfaktor dargestellt.In 9 The effort-optimized realization of a complex-valued multiplier for an exemplary rotation factor is shown.
  • 10 zeigt die aufwandsoptimierte festverdrahtete Digitalschaltung zur Realisierung der zweidimensionalen Korrelationsfilterung bei Anwendung einer Frequenzverschiebung und Dezimation vor der FFT; dabei zeigt 10a eine Übersicht und in 10b-10d sind die drei Blöcke detailliert dargestellt. 10 shows the effort-optimized hard-wired digital circuit for the realization of the two-dimensional correlation filtering when applying a frequency shift and decimation before the FFT; 10a an overview and in 10b-10d the three blocks are shown in detail.
  • In 11 ist eine Realisierung der Drehfaktoren zur Frequenzverschiebung dargestellt.In 11 A realization of the rotation factors for frequency shifting is shown.
  • 12 zeigt einen Verlauf der Sendefrequenz mit quadratischem Fehler zur idealen linearen Änderung. 12 shows a curve of the transmission frequency with squared error to the ideal linear change.
  • 13 zeigt den Empfangsfrequenzbereich über der Objektentfernung sowie schraffiert den Bereich, wo es bei reellwertigem Mischer zu Mehrdeutigkeit wegen unbekanntem Vorzeichen kommt. 13 shows the reception frequency range over the object distance and shades the area where ambiguity occurs in a real-valued mixer due to an unknown sign.
  • 14 zeigt den Empfangsfrequenzbereich über der Objektentfernung bei invertierter Modulationsbandbreite. 14 shows the reception frequency range over the object distance with inverted modulation bandwidth.
  • 15 zeigt den Empfangsfrequenzbereich über der Objektentfernung bei invertierter und verdoppelter Modulationsbandbreite. 15 shows the reception frequency range over the object distance with inverted and doubled modulation bandwidth.
  • In 16 ist ein Wellenleiter mit äquidistanten Koppelstellen dargestellt, welcher zur Fokussierung und zum Scannen über Frequenzänderung in erster Raumrichtung dient.In 16 A waveguide with equidistant coupling points is shown, which is used for focusing and scanning via frequency change in the first spatial direction.
  • 17 zeigt einen zeitlichen linearen Verlauf des Strahlwinkels und die zugehörige Sendefrequenz, über welche der Strahlwinkel geschwenkt wird. 17 shows a temporal linear progression of the beam angle and the corresponding transmission frequency over which the beam angle is swung.
  • 18 zeigt einen zeitlichen Verlauf des Strahlwinkels mit unterschiedlicher Scangeschwindigkeit und die zugehörige Sendefrequenz. 18 shows a temporal progression of the beam angle with different scanning speeds and the corresponding transmission frequency.
  • 19 zeigt in zwei unterschiedlichen Perspektiven eine Anordnung mit einem Wellenleiter und einer Linse zur Fokussierung in zweiter Raumrichtung. 19 shows in two different perspectives an arrangement with a waveguide and a lens for focusing in a second spatial direction.
  • 20 zeigt die Anordnung nach 19 mit einem zusätzlichen prismenförmigen Element aus Material mit elektrisch steuerbarer Dielektrizitätskonstante zum Scannen in zweiter Raumrichtung. 20 shows the arrangement according to 19 with an additional prism-shaped element made of material with electrically controllable dielectric constant for scanning in a second spatial direction.
  • 21 zeigt in drei unterschiedlichen Perspektiven eine Anordnung mit einem Wellenleiter und einem transparenten eindimensionalen Flüssigkristall-Array zum Fokussieren und zum Scannen in zweiter Raumrichtung. 21 shows in three different perspectives an arrangement with a waveguide and a transparent one-dimensional liquid crystal array for focusing and scanning in a second spatial direction.
  • 22 zeigt in drei unterschiedlichen Perspektiven eine Anordnung mit einem Wellenleiter und einem reflektierenden eindimensionalen Flüssigkristall-Array zum Fokussieren und zum Scannen in zweiter Raumrichtung. 22 shows in three different perspectives an arrangement with a waveguide and a reflective one-dimensional liquid crystal array for focusing and scanning in a second spatial direction.
  • In 23 ist ein zweidimensionales Flüssigkristall-Array dargestellt.In 23 A two-dimensional liquid crystal array is shown.
  • 24 zeigt eine Anordnung mit 32 parallelen und äquidistanten Wellenleitern. 24 shows an arrangement with 32 parallel and equidistant waveguides.
  • 25 zeigt ein zweidimensionales Pixelfeld für 32 gleichartige äquidistante Wellenleiter mit geringem Abstand. 25 shows a two-dimensional pixel array for 32 similar equidistant waveguides with a small spacing.
  • 26 zeigt ein zweidimensionales Pixelfeld für 32 gleichartige äquidistante Wellenleiter mit 32-fach größerem Abstand. 26 shows a two-dimensional pixel array for 32 similar equidistant waveguides with a 32-fold larger spacing.
  • 27 zeigt ein zweidimensionales Pixelfeld für 32 gleichartige Wellenleiter mit unterschiedlichem Abstand. 27 shows a two-dimensional pixel array for 32 identical waveguides with different spacing.
  • 28 zeigt ein zweidimensionales Pixelfeld für 32 unterschiedliche äquidistante Wellenleiter mit geringem Abstand und weiterhin schrittweisem Scannen in zweite Raumrichtung. 28 shows a two-dimensional pixel array for 32 different equidistant waveguides with a small spacing and further stepwise scanning in a second spatial direction.
  • 29 zeigt ein zweidimensionales Pixelfeld für 32 unterschiedliche äquidistante Wellenleiter mit geringem Abstand und kontinuierlichem Scannen in zweite Raumrichtung. 29 shows a two-dimensional pixel array for 32 different equidistant waveguides with a small spacing and continuous scanning in a second spatial direction.
  • 30 zeigt die Herleitung für die radiale Komponente der Relativgeschwindigkeit eines stationären Objekts für Elevationswinkel 0°. 30 shows the derivation for the radial component of the relative velocity of a stationary object for elevation angle 0°.
  • 31 zeigt die Herleitung für die radiale Komponente der Relativgeschwindigkeit eines stationären Objekts für beliebige Winkellage sowie die Herleitung des Winkels in vertikale Richtung, unter welchem die Straßenoberfläche gesehen wird. 31 shows the derivation for the radial component of the relative velocity of a stationary object for any angular position as well as the derivation of the angle in the vertical direction under which the road surface is seen.
  • In 32 ist ein Bereich der Straßenoberfläche dargestellt, auf welchen ein Strahl trifft.In 32 shows an area of the road surface on which a beam hits.
  • 33 zeigt eine Realisierung für drei äquidistante Phasenwerte mit einem Umschalter zwischen drei unterschiedlich langen Leitungsstücken. 33 shows an implementation for three equidistant phase values with a switch between three different length line sections.
  • 34 zeigt eine Realisierung für vier äquidistante Phasenwerte mit einem schaltbaren Invertierer und einem Umschalter zwischen zwei unterschiedlich langen Leitungsstücken. 34 shows an implementation for four equidistant phase values with a switchable inverter and a switch between two different length cable sections.
  • 35 zeigt eine Modulationsfolge nach Stand der Technik, welche sequenziell aus zwei Teilfolgen zusammengesetzt ist. 35 shows a state-of-the-art modulation sequence, which is sequentially composed of two subsequences.
  • In 36 ist eine neue Modulationsfolge mit zwei periodisch ineinander geschachtelten Teilfolgen dargestellt.In 36 A new modulation sequence with two periodically nested subsequences is shown.
  • 37 zeigt die beiden FFTs zur ersten Modulationsteilfolge für das Beispiel zweier Objekte. 37 shows the two FFTs for the first modulation subsequence for the example of two objects.
  • 38 zeigt die beiden Korrelationen zur zweiten Modulationsteilfolge für das Beispiel zweier Objekte. 38 shows the two correlations to the second modulation subsequence for the example of two objects.
  • In 39 ist eine alternative neue Modulationsfolge mit zwei periodisch ineinander geschachtelten Teilfolgen dargestellt.In 39 An alternative new modulation sequence with two periodically nested subsequences is shown.
  • 40 zeigt erfindungsgemäß eine neue Modulationsfolge mit zwei periodisch ineinander geschachtelten Teilfolgen sowie überlagerter linearer Frequenzmodulation. 40 shows according to the invention a new modulation sequence with two periodically nested subsequences and superimposed linear frequency modulation.

AusführungsbeispieleExamples of implementation

1 zeigt schematisch ein kohärentes Lidarsystem 1.1. Mit der Laserquelle 1.2 wird ein kohärentes Signal im Wellenlängenbereich von etwa λ = 1550nm erzeugt; die Kohärenzlänge beträgt zumindest mehrere Mikrosekunden und die Frequenz ist nach Stand der Technik konstant. Anschließend gelangt das Signal in einen schaltbaren Invertierer 1.3, mit dem das Vorzeichen des Signals geändert werden kann, was einer Phasenverschiebung von 180° entspricht. Vorzeichenänderungen finden nur in einem festen Raster von z. B. 3.33ns statt und sind nach Stand der Technik z. B. pseudozufällig, d. h. nur mit einer Häufigkeit bzw. Wahrscheinlichkeit von 50% wird nach Tm = 3.33ns das Vorzeichen geändert. In 2 ist ein Verlauf dieser Modulationsfolge b(n), die aus den Werten +1 und -1 besteht und auch als binär bezeichnet wird, dargestellt; sie wiederholt sich mit der Periode Nm = 4096, also alle 13.6µs. Das modulierte Signal durchläuft einen Verstärker 1.4, einen Zirkulator 1.5 (also eine Sende-Empfangs-Weiche), wird über eine Sende-Empfangs-Einheit 1.6 abgestrahlt und teilweise von einem Objekt 1.7 zurückreflektiert; mit einer von der Objektentfernung r abhängigen und damit variablen Verzögerung t 0 = 2 r / c ,

Figure DE102023201147A1_0001
wobei c = 3·108m/s die Lichtgeschwindigkeit ist, und mit einer von der radialen Relativgeschwindigkeit v abhängigen und damit variablen, durch den Dopplereffekt erzeugten Frequenzverschiebung f D = 2 v / λ
Figure DE102023201147A1_0002
wird dieses Signal dann von der Sende-Empfangs-Einheit 1.6 aufgenommen und über den Zirkulator 1.5 in den weiteren Empfangspfad geleitet. In einem komplexwertigen Mischer 1.8 (auch als IQ-Mischer bezeichnet) wird das modulierte empfangene Signal mit dem unmodulierten Lasersignal überlagert und mit Hilfe der Photodiodeneinheit 1.9 in ein komplexwertiges niederfrequentes Signal umgesetzt; die Frequenz fe dieses Signals entspricht der Dopplerverschiebung fD nach Bez. (1b): f e = f D = 2 v / λ ,
Figure DE102023201147A1_0003
die Modulation dieses Signals ist um die Signallaufzeit gegenüber der des Sendesignals verzögert. In 3 ist der Realteil dieses niederfrequenten analogen Empfangssignals ea(t) im Falle eines Objektes dargestellt. Anschließend wird das Signal in einer Analog-Digital-Wandler-Einheit 1.10 mit der Abtastfrequenz fs = 300MHz, d. h. alle Ts = 3.33ns abgetastet und digitalisiert - die resultierenden Werte des Realteils sind in 3 als Punkte gekennzeichnet; weil hier Abtastzeit Ts = 3.33ns und Modulationszeit Tm = 3.33ns gleich sind, ist auch die Zahl Ns der Abtastwerte pro Modulationsperiode gleich deren Rasterlänge Nm, also Ns = Nm = 4096, so dass nachfolgend für beide ein N = 4096 ohne Index benutzt wird. Das komplexwertige Abtastsignal e(n), im Folgenden auch als Empfangsfolge bezeichnet, kann wie folgt beschrieben werden: e ( n ) = a b ( n m 0 ) exp ( 2 π j ^ n / N k 0 ) ,
Figure DE102023201147A1_0004
wobei hier angenommen wird, dass die Laufzeit t0 ein ganzzahliges Vielfaches m0 der Modulationszeit Tm = 3.33ns und damit auch der Abtastzeit Ts = 3.33ns ist: m 0 = t 0 / T m = 2 r / c / T m
Figure DE102023201147A1_0005
und das zur Dopplerverschiebung korrespondierende k 0 = N T s f D = N T s 2 v / λ
Figure DE102023201147A1_0006
ebenfalls ganzzahlig ist; a ist die komplexwertige Amplitude der Empfangsfolge, „exp“ bezeichnet die Exponentialfunktion und ĵ ist die imaginäre Einheit. 1 shows a schematic of a coherent lidar system 1.1. The laser source 1.2 generates a coherent signal in the wavelength range of approximately λ = 1550nm; the coherence length is at least several microseconds and the frequency is constant according to the state of the art. The signal then passes into a switchable inverter 1.3, with which the sign of the signal can be changed, which corresponds to a phase shift of 180°. Sign changes only take place in a fixed grid of e.g. 3.33ns and are, according to the state of the art, pseudorandom, ie the sign is only changed after T m = 3.33ns with a frequency or probability of 50%. In 2 a course of this modulation sequence b(n), which consists of the values +1 and -1 and is also referred to as binary, is shown; it repeats itself with the period N m = 4096, i.e. every 13.6µs. The modulated signal passes through an amplifier 1.4, a circulator 1.5 (i.e. a transmit-receive switch), is emitted via a transmit-receive unit 1.6 and partially reflected back by an object 1.7; with a delay that depends on the object distance r and is therefore variable t 0 = 2 r / c ,
Figure DE102023201147A1_0001
where c = 3·10 8 m/s is the speed of light, and with a frequency shift dependent on the radial relative velocity v and thus variable, generated by the Doppler effect e D = 2 v / λ
Figure DE102023201147A1_0002
This signal is then received by the transmit-receive unit 1.6 and passed through the circulator 1.5 into the further receiving path. In a complex-valued mixer 1.8 (also called IQ mixer net) the modulated received signal is superimposed with the unmodulated laser signal and converted into a complex-valued low-frequency signal using the photodiode unit 1.9; the frequency f e of this signal corresponds to the Doppler shift f D according to equation (1b): e e = e D = 2 v / λ ,
Figure DE102023201147A1_0003
the modulation of this signal is delayed by the signal propagation time compared to that of the transmission signal. In 3 the real part of this low frequency analogue received signal e a (t) is shown in the case of an object. The signal is then sampled and digitized in an analogue-digital converter unit 1.10 with the sampling frequency f s = 300MHz, ie every T s = 3.33ns - the resulting values of the real part are in 3 marked as points; because the sampling time T s = 3.33ns and the modulation time T m = 3.33ns are the same, the number N s of samples per modulation period is also equal to their grid length N m , i.e. N s = N m = 4096, so that N = 4096 without an index is used for both below. The complex-valued sampling signal e(n), also referred to as the reception sequence below, can be described as follows: e ( n ) = a b ( n m 0 ) ex ( 2 π j ^ n / N k 0 ) ,
Figure DE102023201147A1_0004
where it is assumed that the running time t 0 is an integer multiple m 0 of the modulation time T m = 3.33ns and thus also of the sampling time T s = 3.33ns: m 0 = t 0 / T m = 2 r / c / T m
Figure DE102023201147A1_0005
and the Doppler shift corresponding k 0 = N T s e D = N T s 2 v / λ
Figure DE102023201147A1_0006
is also an integer; a is the complex-valued amplitude of the received sequence, “exp” denotes the exponential function and ĵ is the imaginary unit.

Die komplexwertige Empfangsfolge e(n) nach Bez. (3) bezieht sich auf ein einzelnes Objekt ohne longitudinale Ausdehnung und auf einen idealen Empfänger. Tatsächlich kann es mehrere und/oder ausgedehnte Objekte geben und im Empfänger wird ein zusätzliches Rauschen re(n) generiert, insbesondere durch thermisches Rauschen; dann ergibt sich die Empfangsfolge e ( n ) = sum i = 1, , I [ a i b ( n m 0, i ) exp ( 2 π j ^ n / N k 0, i ) ] + r e ( n ) ,

Figure DE102023201147A1_0007
wobei „sumi=1,...,l“ die Summenfunktion über den Index i = 1,...,l der I nicht longitudinal ausgedehnten Einzelobjekte darstellt.The complex-valued reception sequence e(n) according to (3) refers to a single object without longitudinal extension and to an ideal receiver. In fact, there may be several and/or extended objects and an additional noise r e (n) is generated in the receiver, in particular by thermal noise; then the reception sequence results e ( n ) = sum i = 1, , I [ a i b ( n m 0, i ) ex ( 2 π j ^ n / N k 0, i ) ] + r e ( n ) ,
Figure DE102023201147A1_0007
where “sum i=1,...,l ” represents the sum function over the index i = 1,...,l of the I non-longitudinally extended individual objects.

Aus der Empfangsfolge e(n) des Zeitraums n = 0,1,...,N-1 sind die diskreten Laufzeiten m0,i und die diskreten Dopplerverschiebungen k0,i der I Objekte zu ermitteln. Für eine möglichst genaue Bestimmung, also möglichst gute Trennung von Signal und Rauschen und damit maximale Sensitivität und Reichweite des Lidarsystems, ist die sogenannte Optimalfilterung anzuwenden, also die Filterung durch Korrelation zwischen der Empfangsfolge e(n) und dem zweidimensionalen Raum êm,k(n) der möglichen idealen amplitudennormierten Empfangsfolgen eines Einzelobjekts: e ^ m , k ( n ) = b ( n m ) exp ( j ^ 2 π n / N k )  mit m = 0, , M 1  und k = 0, , N 1 ;

Figure DE102023201147A1_0008
dabei korrespondiert M-1 zu der größten anzunehmenden bzw. interessierenden Objektentfernung und für die Dopplerverschiebung k wird angenommen, dass sie alle Werte annehmen kann. Damit ergibt sich die zweidimensionale Korrelation Em,k zu E m , k = sum n = 0, , N 1 ( e ( n ) conj ( e ^ m , k ( n ) ) = sum n = 0, , N 1 ( e ( n ) b ( n m ) exp ( j ^ 2 π n / N k ) ) ,  m = 0, , M 1  und k = 0, , N 1,
Figure DE102023201147A1_0009
wobei „conj“ die Konjugiert-Komplex-Bildung bezeichnet und die Modulationsfolge b(n) wegen ihrer Reellwertigkeit sich dabei nicht ändert. Die Korrelation Em,k besitzt Betragsspitzen (oft auch als Leistungsspitzen bezeichnet) an den Stellen (m,k) = (m0,i,k0,i) von Objekten; 4 zeigt den Betrag der zweidimensionalen Korrelation für zwei Objekte gleicher Empfangsamplitude bei (m0,1,k0,1) = (300,3846) und (m0,2,k0,2) = (101,1000), was zur ihren Entfernungen r1 = 150m und r2 = 50.5m und den radialen Relativgeschwindigkeiten v1 = -7.1m/s und v2 = 56.8m/s korrespondiert (beim oben für k unsymmetrisch gewählten Bereich k = 0,...,N-1 werden k > N/2 negative Dopplerfrequenzen und damit negative Relativgeschwindigkeiten zugeordnet; eine negative Rekativgeschwindigkeit bedeutet, dass sich das Objekt relativ wegbewegt).The discrete travel times m 0,i and the discrete Doppler shifts k 0,i of the I objects are to be determined from the reception sequence e(n) of the time period n = 0,1,...,N-1. For the most accurate determination, i.e. the best possible separation of signal and noise and thus maximum sensitivity and range of the lidar system, the so-called optimal filtering is to be used, i.e. filtering by correlation between the reception sequence e(n) and the two-dimensional space ê m,k (n) of the possible ideal amplitude-normalized reception sequences of a single object: e ^ m , k ( n ) = b ( n m ) ex ( j ^ 2 π n / N k ) with m = 0, , M 1 and k = 0, , N 1 ;
Figure DE102023201147A1_0008
where M-1 corresponds to the largest assumed or interesting object distance and the Doppler shift k is assumed to be able to take on all values. This gives the two-dimensional correlation E m,k as E m , k = sum n = 0, , N 1 ( e ( n ) conj ( e ^ m , k ( n ) ) = sum n = 0, , N 1 ( e ( n ) b ( n m ) ex ( j ^ 2 π n / N k ) ) , m = 0, , M 1 and k = 0, , N 1,
Figure DE102023201147A1_0009
where “conj” denotes the conjugated complex formation and the modulation sequence b(n) does not change due to its real value. The correlation E m,k has magnitude peaks (often also referred to as power peaks denoted) at the positions (m,k) = (m 0,i ,k 0 , i ) of objects; 4 shows the magnitude of the two-dimensional correlation for two objects of the same reception amplitude at (m 0.1 ,k 0.1 ) = (300.3846) and (m 0.2 ,k 0.2 ) = (101.1000), which corresponds to their distances r 1 = 150m and r 2 = 50.5m and the radial relative velocities v 1 = -7.1m/s and v 2 = 56.8m/s (for the range k = 0,...,N-1 chosen asymmetrically above for k, k > N/2 are assigned negative Doppler frequencies and thus negative relative velocities; a negative reactive velocity means that the object is moving away relatively).

Um also die Entfernung ri und die radiale Relativgeschwindigkeit vi von Objekten zu bestimmen, sind die Betragsspitzen der zweidimensionalen Korrelation Em,k zu ermitteln, wobei nur Betragsspitzen verwendet werden, welche über einer Detektionsschwelle liegen, um sie vom Systemrauschen zu unterscheiden. Gemäß den Bez. (3b) und (3c) können ri und vi aus den Positionen der Betragsspitzen, also den diskreten Laufzeiten m0,i und den diskreten Frequenzverschiebungen k0,i wie folgt berechnet werden: r i = m 0, i c T m / 2,

Figure DE102023201147A1_0010
v i = k 0 ,i λ / ( 2 N T s ) .
Figure DE102023201147A1_0011
In order to determine the distance r i and the radial relative speed v i of objects, the magnitude peaks of the two-dimensional correlation E m,k must be determined, using only magnitude peaks that are above a detection threshold in order to distinguish them from system noise. According to equations (3b) and (3c), r i and v i can be calculated from the positions of the magnitude peaks, i.e. the discrete travel times m 0,i and the discrete frequency shifts k 0,i as follows: r i = m 0, i c T m / 2,
Figure DE102023201147A1_0010
v i = k 0 ,i λ / ( 2 N T s ) .
Figure DE102023201147A1_0011

Man kann also aus einer Modulationsfolge unmittelbar und eindeutig Entfernung und Relativgeschwindigkeit von mehreren Objekten bestimmen. Dies ist ein großer Vorteil zur bei kohärenten Lidarsystemen häufig benutzten linearen Frequenzmodulation mit zwei Frequenzrampen, deren Steigungen entgegengesetztes Vorzeichen haben - dort sind Mehrdeutigkeiten bei mehreren Objekten unvermeidbar.The distance and relative speed of several objects can therefore be determined directly and unambiguously from a modulation sequence. This is a great advantage over the linear frequency modulation frequently used in coherent lidar systems with two frequency ramps whose slopes have opposite signs - in this case, ambiguities are unavoidable when there are several objects.

Die Berechnung dieser zweidimensionalen Korrelation und ihre nachgelagerte Auswertung finden in der digitalen Signalprozessierungseinheit 1.11 statt. Sie stellt einen hohen Aufwand mit Ordnung N·M·N dar. Die obige Beziehung (6) kann aber auch als diskrete Fouriertransformierte über das Produkt e(n)·b(n-m), n = 0,...,N-1 betrachtet werden, welche für jedes m = 0,...,M-1 zu bestimmen ist; wird die diskrete Fouriertransformation (DFT) über die schnelle Fouriertransformation (FFT) berechnet: E m , k = FFT k ( e ( n ) b ( n m ) )  mit m = 0, , M 1,

Figure DE102023201147A1_0012
wobei k = 0,...,N-1 die Ausgangsdimension der FFT, also die diskrete Frequenz ist, so reduziert sich der Rechenaufwand auf die Ordnung M·N·log2(N).The calculation of this two-dimensional correlation and its subsequent evaluation take place in the digital signal processing unit 1.11. It represents a high effort with order N·M·N. The above relationship (6) can also be viewed as a discrete Fourier transform via the product e(n)·b(nm), n = 0,...,N-1, which is to be determined for each m = 0,...,M-1; the discrete Fourier transform (DFT) is calculated via the fast Fourier transform (FFT): E m , k = FFT k ( e ( n ) b ( n m ) ) with m = 0, , M 1,
Figure DE102023201147A1_0012
where k = 0,...,N-1 is the output dimension of the FFT, i.e. the discrete frequency, the computational effort is reduced to the order M·N·log 2 (N).

Phasenmodulation mit überlagerter linearer FrequenzmodulationPhase modulation with superimposed linear frequency modulation

Bisher wurde gemäß Stand der Technik davon ausgegangen, dass die Frequenz, auf welche die Phasenmodulationsfolge b(n) aufgeprägt wird, konstant ist, also sich nicht ändert. Im Folgenden wird nun der erfindungsgemäße Ansatz betrachtet, dass sich die Frequenz kontinuierlich ändert, wobei zuerst eine ideale lineare Änderung angenommen wird; dies ist in 5 dargestellt, wo sich die Frequenz der Laserquelle 1.2 und damit die Sendefrequenz fTX(t) innerhalb einer Modulationsperiode der Dauer Tpm = N·Tm = 13.7µs um B = 800MHz (also mit Steigung B/Tpm = 58.6MHz/µs) linear erhöht. Allgemein gilt also für die Sendefrequenz fTX(t): f TX ( t ) = f TX0 + t B / T pm  mit T pm = N T m .

Figure DE102023201147A1_0013
Up to now, according to the state of the art, it was assumed that the frequency to which the phase modulation sequence b(n) is impressed is constant, i.e. does not change. In the following, the inventive approach is considered that the frequency changes continuously, whereby an ideal linear change is first assumed; this is in 5 where the frequency of the laser source 1.2 and thus the transmission frequency f TX (t) increases linearly by B = 800MHz (i.e. with a gradient of B/T pm = 58.6MHz/µs) within a modulation period of duration T pm = N·T m = 13.7µs. In general, the following applies to the transmission frequency f TX (t): e TX ( t ) = e TX0 + t B / T pm with T pm = N T m .
Figure DE102023201147A1_0013

Ohne Dopplerverschiebung (also bei zuerst angenommener Relativgeschwindigkeit Null) und wie in 6 gezeigt, ist die Frequenz fRX(t) des empfangenen Signals wegen der Laufzeit t0 entsprechend verzögert: f RX ( t ) = f TX ( t t 0 ) = f TX0 + ( t t 0 ) B / T pm ,

Figure DE102023201147A1_0014
und damit gegenüber der Sendefrequenz fTX(t) nach unten verschoben. Diese durch die Laufzeit bedingte Frequenzverschiebung fr beträgt f r = t 0 B / T pm
Figure DE102023201147A1_0015
und mit Laufzeit t0 nach Bez. (1a): f r = 2 r / c B / T pm ;
Figure DE102023201147A1_0016
für das Beispiel einer Objektentfernung r = 150m und damit einer Laufzeit t0 = 1µs sowie den obigen Modulationswerten ergibt sich die laufzeitgedingte Frequenzverschiebung zu fr = 73.2MHz. Gemäß Bez. (11b) ist die laufzeitgedingte Frequenzverschiebung zu fr proportional zur Objektentfernung r.Without Doppler shift (i.e. with initially assumed relative velocity zero) and as in 6 As shown, the frequency f RX (t) of the received signal is delayed due to the propagation time t 0 : e RX ( t ) = e TX ( t t 0 ) = e TX0 + ( t t 0 ) B / T pm ,
Figure DE102023201147A1_0014
and thus shifted downwards compared to the transmission frequency f TX (t). This frequency shift f r caused by the runtime is e r = t 0 B / T pm
Figure DE102023201147A1_0015
and with running time t 0 according to (1a): e r = 2 r / c B / T pm ;
Figure DE102023201147A1_0016
For the example of an object distance r = 150m and thus a propagation time t 0 = 1µs and the above modulation values, the propagation time-related frequency shift is f r = 73.2MHz. According to equation (11b), the propagation time-related frequency shift to f r is proportional to the object distance r.

Die gesamte Frequenzverschiebung und damit die Frequenz fe des Empfangssignals nach Mischung setzt sich nun aus der Dopplerverschiebung fD nach Bez. (1b) und dem obigen laufzeitbedingten Anteil fr nach Bez. (11b) zusammen: f e = f D + f r = 2 v / λ 2 r / c B / T pm .

Figure DE102023201147A1_0017
The total frequency shift and thus the frequency f e of the received signal after mixing is now composed of the Doppler shift f D according to (1b) and the above delay-related component f r according to (11b): e e = e D + e r = 2 v / λ 2 r / c B / T pm .
Figure DE102023201147A1_0017

Dies ist ein besonderer Unterschied zu dem initial betrachteten Fall einer konstanten Sendefrequenz nach Stand der Technik. Auf diese Empfangsfrequenz ist unverändert die um die Laufzeit verschobene Phasenmodulationsfolge aufgeprägt, so dass für die Empfangsfolge e(n) nach Abtastung und Digitalisierung weiterhin die Bez. (3a) gilt, wobei für die diskrete Empfangsfrequenz k0 statt Bez. (3c) nun gilt: k 0 = N T s ( f D + f r ) = N T s 2 v / λ N T s 2 r / c B / T pm ,

Figure DE102023201147A1_0018
und unter Verwendung der diskreten Laufzeit m0 nach (3b) sowie Tpm = N·Tm: k 0 = N T s ( f D f r ) = N T s 2 v / λ m 0 T s B ,
Figure DE102023201147A1_0019
wobei diese diskrete Empfangsfrequenz k0 zuerst auch als ganzzahlig angenommen wird. Der Ansatz der Optimalfilterung, also die Filterung durch Korrelation zwischen der Empfangsfolge e(n) und dem zweidimensionalen Raum êm,k(n) der möglichen idealen amplitudennormierten Empfangsfolgen eines Einzelobjekts bleibt somit weiterhin gültig, gekennzeichnet durch die Bez. (6) und (8) für die zweidimensionale Korrelation Em,k; dabei eignet sich Bez. (8): E m , k = FFT k ( e ( n ) b ( n m ) ) mit m = 0, , M 1,
Figure DE102023201147A1_0020
also die schnellen Fouriertransformationen über jeweiliges Produkt zwischen Empfangsfolge e(n) und jeweilig verschobener Modulationsfolge b(n-m), für eine aufwandsgünstige Berechnung. 7 zeigt den Betrag der zweidimensionalen Korrelation Em,k für das obige Beispiel zweier Objekte mit den Entfernungen r1 = 150m und r2 = 50.5m sowie den radialen Relativgeschwindigkeitenv1 = -7.1m/s und v2 = 56.8m/s; die diskreten Zeitverschiebungen m0,1 = 300 und m0,2 = 101 bleiben unverändert, während sich die diskreten Frequenzverschiebungen gemäß Bez. (13b) um die laufzeitbedingten Anteile -m0,1·Ts·B = -800 und -m0,2·Ts·B = -264 auf k0,1 = 3846-800 = 3046 und k0,2 = 1000-264 = 736 ändern.This is a particular difference to the case of a constant transmission frequency according to the state of the art considered initially. The phase modulation sequence shifted by the propagation time is unchanged on this reception frequency, so that for the reception sequence e(n) after sampling and digitization, the relation (3a) still applies, whereby for the discrete reception frequency k 0 instead of relation (3c) now applies: k 0 = N T s ( e D + e r ) = N T s 2 v / λ N T s 2 r / c B / T pm ,
Figure DE102023201147A1_0018
and using the discrete running time m 0 according to (3b) and T pm = N·T m : k 0 = N T s ( e D e r ) = N T s 2 v / λ m 0 T s B ,
Figure DE102023201147A1_0019
where this discrete reception frequency k 0 is also initially assumed to be an integer. The approach of optimal filtering, i.e. filtering by correlation between the reception sequence e(n) and the two-dimensional space ê m,k (n) of the possible ideal amplitude-normalized reception sequences of a single object, thus remains valid, characterized by the terms (6) and (8) for the two-dimensional correlation E m,k ; here, term (8) is suitable: E m , k = FFT k ( e ( n ) b ( n m ) ) with m = 0, , M 1,
Figure DE102023201147A1_0020
i.e. the fast Fourier transforms via the respective product between the reception sequence e(n) and the respective shifted modulation sequence b(nm), for a cost-effective calculation. 7 shows the magnitude of the two-dimensional correlation E m,k for the above example of two objects with the distances r 1 = 150m and r 2 = 50.5m and the radial relative velocities v 1 = -7.1m/s and v 2 = 56.8m/s; the discrete time shifts m 0.1 = 300 and m 0.2 = 101 remain unchanged, while the discrete frequency shifts according to (13b) change by the transit time-related components -m 0.1 ·T s ·B = -800 and -m 0.2 ·T s ·B = -264 to k 0.1 = 3846-800 = 3046 and k 0.2 = 1000-264 = 736.

Für die Bestimmung der Objektentfernungen ri aus den Positionen (m0,i, k0,i) der Betragsspitzen der Korrelation gilt somit weiterhin Bez. (7a): r i = m 0, i c T m / 2,

Figure DE102023201147A1_0021
während für die Bestimmung der radialen Relativgeschwindigkeiten vi der laufzeitbedingte Anteil an den diskreten Frequenzverschiebungen k0,i zu berücksichtigen ist - mit Hilfe der Bez. (13b) ergibt sich: v i = λ / ( 2 N T s ) ( k 0, i + m 0, i T s B ) ;
Figure DE102023201147A1_0022
im Unterschied zur ursprünglichen Bez. (7b) ist also von der diskreten Frequenzverschiebung k0,i der laufzeitbedingte Beitrag -m0,i·Ts·B zu subtrahieren, welcher proportional zur diskreten Laufzeit m0,i ist.For the determination of the object distances r i from the positions (m 0,i, k 0,i ) of the magnitude peaks of the correlation, the following equation (7a) still applies: r i = m 0, i c T m / 2,
Figure DE102023201147A1_0021
while for the determination of the radial relative velocities v i the transit time-related part of the discrete frequency shifts k 0,i has to be taken into account - with the help of the equation (13b) it results: v i = λ / ( 2 N T s ) ( k 0, i + m 0, i T s B ) ;
Figure DE102023201147A1_0022
In contrast to the original equation (7b), the delay-related contribution -m 0,i ·T s ·B, which is proportional to the discrete delay m 0,i, has to be subtracted from the discrete frequency shift k 0 ,i .

Die Systemansätze und die Vorteile, welche die Kombination einer Phasenmodulation und einer sich ändernden Frequenz ermöglichen, werden später näher erläutert.The system approaches and the advantages that enable the combination of phase modulation and a changing frequency are explained in more detail later.

Rechenlogik zur Realisierung der zweidimensionalen KorrelationCalculation logic for realizing the two-dimensional correlation

Zuerst wird erörtert, wie die Berechnung der zweidimensionalen Korrelation Em,k in der digitalen Signalprozessierungseinheit 1.11 realisiert werden kann. Die bisher betrachtete Empfangsfolge e(n) des Zeitraums n = 0,1,...,N-1 und die zugehörige Korrelation Em,k beziehen sich auf eine einzelne Erfassungsrichtung, also bezogen auf horizontale und vertikale Richtung auf ein Pixel. Tatsächlich werden in jedem Erfassungszyklus, für den zuerst eine Dauer von 100ms angenommen werden soll, etwa 160.000 Erfassungsrichtungen, also Pixel abgedeckt; dies wird typischerweise durch eine Kombination von parallelem Sender und Empfänger, also parallelem Erfassen von Pixeln, und Scannen, also sequenziellem Erfassen von Pixeln realisiert. Paralleler Sender und Empfänger bedeutet, dass es alle Elemente 1.4-1.10 in 1 (gegebenenfalls abgesehen von einer gemeinsamen Fokussierungs- und Strahlschwenkungsvorrichtung in der Sende-Empfangs-Einheit 1.6) mehrfach gibt, z. B. 32 Mal. Das Scannen kann z. B. durch kontinuierliche mechanische Bewegung (z. B. eines Spiegels) oder elektronisch, durch kontinuierliche Änderung oder durch sequenzielles Schalten geschehen (Möglichkeiten des elektronischen Scannens werden später erläutert). Beim kontinuierlichen Scannen ist es auch möglich, dass sich Pixel teilweise überlappen, also dass die hinteren der N Werte der Empfangsfolge e(n) eines Pixels auch als vordere Werte des nächsten Pixels benutzt werden. Wird nun noch angenommen, dass M = 500 ist (korrespondiert bei obiger Auslegung zu maximaler Entfernung von 249.5m), dann ist die FFT der Länge 4096 aus Bez. (8) 800 Millionen Mal pro Sekunde zu rechnen. Eine Realisierung dieser vielen FFT-Berechnungen ist über Mikroprozessoren oder DSPs (Digital Signal Processors) nicht möglich; der Takt von solchen Prozessoren liegt typischerweise im Bereich von 1GHz, d. h. pro Takt müsste fast eine komplette FFT der Länge 4096 berechnet werden, moderne Prozessoren können aber in der Regel auch bei Verwendung von parallelen vektoriellen Recheneinheiten nur bis zu Größenordnung 100 Multiplikationen und Additionen pro Takt, was um Größenordnungen unter dem Bedarf für eine FFT der Länge 4096 liegt. Deshalb lassen sich diese vielen FFTs nur über eine in Hardware realisierte spezielle Rechenlogik umsetzen. Da der FFT-Algorithmus aus vielen als Butterfly bezeichneten Subelementen besteht, werden für eine in Hardware realisierte spezielle Rechenlogik der FTT häufig mehrere Butterflys realisiert, die einen programmierbaren Multiplizierer enthalten, da sich der aufzumultiplizierende Drehfaktor über die Sequenz der Butterflys ändert. Allerdings ist die Realisierung programmierbarer Multiplizierer aufwändig.First, it is discussed how the calculation of the two-dimensional correlation E m,k can be realized in the digital signal processing unit 1.11. The reception sequence e(n) of the time period n = 0,1,...,N-1 considered so far and the associated correlation E m,k refer to a single detection direction, i.e. related to the horizontal and vertical direction of a pixel. In fact, in each Acquisition cycle, for which a duration of 100ms is initially assumed, covers about 160,000 acquisition directions, i.e. pixels; this is typically realized by a combination of parallel transmitter and receiver, i.e. parallel acquisition of pixels, and scanning, i.e. sequential acquisition of pixels. Parallel transmitter and receiver means that all elements 1.4-1.10 in 1 (if necessary apart from a common focusing and beam steering device in the transmitting-receiving unit 1.6) multiple times, e.g. 32 times. Scanning can be done e.g. by continuous mechanical movement (e.g. of a mirror) or electronically, by continuous change or by sequential switching (possibilities of electronic scanning are explained later). With continuous scanning it is also possible that pixels partially overlap, i.e. that the rear of the N values of the reception sequence e(n) of a pixel are also used as the front values of the next pixel. If it is now assumed that M = 500 (corresponds to a maximum distance of 249.5m in the above design), then the FFT of length 4096 from equation (8) is to be calculated 800 million times per second. It is not possible to implement this many FFT calculations using microprocessors or DSPs (digital signal processors); the clock speed of such processors is typically in the range of 1 GHz, i.e. almost a complete FFT of length 4096 would have to be calculated per clock cycle, but modern processors can usually only perform up to 100 multiplications and additions per clock cycle, even when using parallel vector processing units, which is orders of magnitude less than the requirement for an FFT of length 4096. Therefore, these many FFTs can only be implemented using special computing logic implemented in hardware. Since the FFT algorithm consists of many sub-elements known as butterflies, several butterflies containing a programmable multiplier are often implemented for a special computing logic of the FTT implemented in hardware, since the rotation factor to be multiplied changes over the sequence of butterflies. However, implementing programmable multipliers is complex.

Da die Zahl 800 Millionen der pro Sekunde zu rechnenden FFTs etwa zum realisierbaren Takt von 1GHz einer solchen Rechenlogik korrespondiert, kann man auf programmierbare Multiplizierer verzichten, indem man dediziert jeden Butterfly der FFT und somit jeden darin enthaltenen Addierer und Multiplizierer (für den entsprechenden Drehfaktor) direkt in einer Rechenlogik realisiert. Dies ist in 8 im Block 8.4 dargestellt; eine FFT der Länge 4096 besteht aus log2(4096) = 12 sequenziellen Stufen, und in jeder dieser Stufen gibt es 2048 Butterflys, die jeweils aus zwei komplexwertigen Eingangswerten über eine komplexwertige Addition und Subtraktion sowie eine komplexwertige Multiplikation zwei Ausgangswerte bestimmen (in 8 ist in erster FFT-Stufe ein Butterfly beispielhaft durch dicke Linien hervorgehoben). Da die vielen sequenziellen Rechenoperationen nicht in einem Takt gerechnet werden können, müssen Register zum Zwischenspeichern eingefügt werden; in 8 sind zwischen jeder der 12 FFT-Stufen solche Zwischenspeicher, durch die Blöcke z-1 symbolisiert, eingefügt - tatsächlich können es noch mehr sein, da beispielsweise die Zuleitungen der ersten Stufen sehr lang sind und gegebenenfalls dort weitere Zwischenspeicher benötigt werden (die Zwischenspeicher übernehmen jeden Takt neue, an ihrem Eingang liegende Werte). Damit findet die Berechnung in einer sogenannten Pipeline statt - die Berechnung einer FFT zieht sich über mehrere Takte und in der Rechenschaltung befinden sich Daten von mehreren FFTs; jeden Takt werden die Eingangsdaten einer FFT in die als Pipeline ausgeführte Rechenschaltung eingespeist, das Ergebnis, also die Ausgangsdaten dieser FFT liegen dann nach mehreren Takten am Ausgang der Rechenschaltung an, so dass man jeden Takt das Ergebnis einer neuen FFT bekommt.Since the number of 800 million FFTs to be calculated per second corresponds approximately to the realizable clock speed of 1GHz of such a calculation logic, one can dispense with programmable multipliers by implementing each butterfly of the FFT and thus each adder and multiplier contained therein (for the corresponding rotation factor) directly in a calculation logic. This is in 8 shown in block 8.4; an FFT of length 4096 consists of log 2 (4096) = 12 sequential stages, and in each of these stages there are 2048 butterflies, each of which determines two output values from two complex-valued input values via a complex-valued addition and subtraction as well as a complex-valued multiplication (in 8 In the first FFT stage, a butterfly is highlighted by thick lines as an example). Since the many sequential arithmetic operations cannot be calculated in one cycle, registers must be inserted for intermediate storage; in 8 Between each of the 12 FFT stages there are buffers, symbolized by blocks z -1 - in fact there can be more, since the supply lines of the first stages are very long and additional buffers may be required (the buffers take on new values at their input every clock cycle). The calculation therefore takes place in a so-called pipeline - the calculation of an FFT takes place over several clock cycles and the arithmetic circuit contains data from several FFTs; every clock cycle the input data of an FFT is fed into the arithmetic circuit designed as a pipeline, the result, i.e. the output data of this FFT, is then available at the output of the arithmetic circuit after several clock cycles, so that the result of a new FFT is obtained every clock cycle.

Der Hauptaufwand zur Realisierung einer solchen Rechenlogik sind die Multiplizierer. In ihnen wird das Produkt zwischen komplexwertigen Signalen und den Drehfaktoren w p , q = exp ( j ^ π 2 p q / N ) = cos ( π 2 p q / N ) + j ^ sin ( π 2 p q / N ) mit p = 1, , log 2 ( N ) 1  und q = 1, , N / 2 p 1,

Figure DE102023201147A1_0023
also Einheitszeigern (Betrag = 1) gebildet; im Allgemeinen sind dazu vier reellwertige Multiplizierer nötig. Jeder dieser reellwertigen Multiplizierer wird typischerweise durch zahlreiche Additionen geschobener Werte realisiert. Allerdings wird hier keine hohe Genauigkeit der Faktoren benötigt; beispielsweise kann ein Fehler von bis zu 1/32 toleriert werden, d. h. man kann die quantisierten Werte w p , q = 1 / 16 round ( 16 cos ( π 2 p q / N ) ) + j ^ 1 / 16 round ( 16 sin ( p 2 p q / N ) )
Figure DE102023201147A1_0024
verwenden; dabei bezeichnet „round“ die Rundungsfunktion. Das durch diese Rundung generierte Rauschen am Ausgang der Korrelation Em,k liegt unter dem benötigten Dynamikbereich und auch typischerweise unter dem Effekt des Empfängerrauschens; und der Signalverlust durch dieses Rauschen ist auch vernachlässigbar. Damit muss man nur noch Multiplizierer mit den Faktoren ±1/16, ±2/16, ..., ±15/16 realisieren. Als Beispiel werde der Multiplizierer mit dem Faktor 7/16 betrachtet; wegen 7 / 16 = 8 / 16 1 / 16 = 1 / 2 1 / 16 = 2 1 2 4
Figure DE102023201147A1_0025
kann dieser durch Subtraktion des um vier Stellen nach rechts geschobenen Eingangswertes von dem um eine Stelle nach rechts geschobenen Eingangswert realisiert werden - dabei wird von einer binären Zahlendarstellung ausgegangen; die obige Darstellung von 7/16 wird CSD-Code (Canonic-Signed-Digit Code) bezeichnet. Bis auf die Faktoren ±11/16 und ±13/16 kann man alle der obigen Faktoren nach Bez. (16) mit höchstens einer Addition oder Subtraktion realisieren; um für diese Faktoren ±11/16 und ±13/16 nicht zwei Additionen bzw. Subtraktionen einsetzen zu müssen, werden sie durch ±10/16 und ±14/16 angenähert, was immer noch zu akzeptablem Quantisierungsrauschen führt.The main effort for the realization of such a calculation logic are the multipliers. In them, the product between complex-valued signals and the rotation factors w p , q = ex ( j ^ π 2 p q / N ) = cos ( π 2 p q / N ) + j ^ sin ( π 2 p q / N ) with p = 1, , log 2 ( N ) 1 and q = 1, , N / 2 p 1,
Figure DE102023201147A1_0023
i.e. unit pointers (magnitude = 1); in general, four real-valued multipliers are required for this. Each of these real-valued multipliers is typically implemented by numerous additions of shifted values. However, high precision of the factors is not required here; for example, an error of up to 1/32 can be tolerated, ie the quantized values can be w p , q = 1 / 16 round ( 16 cos ( π 2 p q / N ) ) + j ^ 1 / 16 round ( 16 sin ( p 2 p q / N ) )
Figure DE102023201147A1_0024
where “round” denotes the rounding function. The noise generated by this rounding at the output of the correlation E m,k is below the required dynamic range and also typically below the effect of the receiver noise; and the signal loss due to this noise is also negligible. This means that one only has to implement multipliers with the factors ±1/16, ±2/16, ..., ±15/16. As an example, consider the multiplier with the factor 7/16; because 7 / 16 = 8 / 16 1 / 16 = 1 / 2 1 / 16 = 2 1 2 4
Figure DE102023201147A1_0025
This can be achieved by subtracting the input value shifted four places to the right from the input value shifted one place to the right - this assumes a binary number representation; the above representation of 7/16 is called CSD code (Canonic-Signed-Digit Code). With the exception of the factors ±11/16 and ±13/16, all of the above factors according to (16) can be achieved with at most one addition or subtraction; in order to avoid having to use two additions or subtractions for these factors ±11/16 and ±13/16, they are approximated by ±10/16 and ±14/16, which still leads to acceptable quantization noise.

In 9 ist der komplexwertige Multiplizierer für den Drehfaktor w 2,740 = 1 / 16 ( 10 j ^ 12 ) = ( 2 1 2 3 ) + j ^ ( 2 1 2 2 )

Figure DE102023201147A1_0026
dargestellt; aus dem binären Eingangswert i = iRe + ĵ·ilm mit Länge 9bit entsteht nach Multiplikation der Ausgangswert o = oRe + ĵ·olm gleicher Länge, wobei als Beispiel Zahlenwerte eingetragen sind. Für den Real- und Imaginärteil des Ausgangswertes sind jeweils zwei reellwertige Multiplizierer durch jeweils einen Addierer zu realisieren; danach sind jeweils die beiden Teilergebnisse für Real- und Imaginärteil aufzuaddieren. Da auch das Negative von Real- und Imaginärteil des Eingangswertes benötigt wird, findet eine Invertierung statt. Diese Invertierung wird hier einfach durch bitweises Invertieren realisiert, d. h. die zusätzliche Addition von 1, also eines sogenannten LSBs (Least-Significant-Bit) wird weggelassen; der dadurch entstehende Fehler kann durch Aufaddieren von Korrekturwerten zu den Eingangswerten der FFT kompensiert werden - dazu kann der Effekt dieser bei der Invertierung fehlenden Werte 1 am Ausgang der FFT bestimmt und über eine inverse DFT auf den Eingang umgerechnet werden. Auch bei dem Rechtsschieben der binären Werte (für Realisierung der Multiplizierer) wird einfach der hintere Teil weggelassen, also keine Rundung durchgeführt; die dadurch entstehenden Fehler sind mittelwertbehaftet und ihre mittleren Fehler können auch wieder über Aufaddieren von Korrekturwerten zu den Eingangswerten der FFT kompensiert werden. Beim Rechtsschieben bleibt die Bitlänge des Wertes unverändert; dazu muss bei der hier betrachteten Zweikomplementdarstellung nur das oberste Bit des Eingangswertes entsprechend erweitert, also kopiert werden. Das Rechtsschieben selber wird einfach über entsprechende Verdrahtung realisiert und benötigt somit keinen Aufwand. Da die aufzumultiplizierenden Drehfaktoren immer den Betrag 1 haben, haben Ein- und Ausgangswerte der Multiplizierer selben Wertebereich; es müssen also keine zusätzlichen Bits nach oben hin erweitert werden.In 9 is the complex-valued multiplier for the rotation factor w 2,740 = 1 / 16 ( 10 j ^ 12 ) = ( 2 1 2 3 ) + j ^ ( 2 1 2 2 )
Figure DE102023201147A1_0026
shown; the binary input value i = i Re + ĵ·i lm with a length of 9 bits produces, after multiplication, the output value o = o Re + ĵ·o lm of the same length, with numerical values entered as an example. For the real and imaginary parts of the output value, two real-valued multipliers must be implemented using an adder each; then the two partial results for the real and imaginary parts must be added together. Since the negative of the real and imaginary parts of the input value is also required, an inversion takes place. This inversion is implemented here simply by bit-by-bit inversion, i.e. the additional addition of 1, i.e. a so-called LSB (least significant bit), is omitted; the resulting error can be compensated by adding correction values to the input values of the FFT - for this purpose, the effect of these missing values 1 during inversion can be determined at the output of the FFT and converted to the input using an inverse DFT. When shifting the binary values to the right (to implement the multipliers), the rear part is simply omitted, i.e. no rounding is carried out; the resulting errors are averaged and their average errors can also be compensated by adding correction values to the input values of the FFT. When shifting to the right, the bit length of the value remains unchanged; for this, in the two's complement representation considered here, only the top bit of the input value needs to be extended accordingly, i.e. copied. The right shift itself is simply implemented using appropriate wiring and therefore requires no effort. Since the rotation factors to be multiplied always have the value 1, the input and output values of the multipliers have the same value range; so no additional bits need to be extended upwards.

In den Butterflys findet jeweils eine komplexwertige Addition und Subtraktion zweier komplexwertiger Werte statt; der Betrag des Ergebnisses kann also doppelt so groß sein, wie der Betrag der Eingangswerte, so dass der Wertebereich um ein Bit nach oben erweitert werden muss. Dadurch würde sich über die 12 Stufen der FFT die Bitlänge um 12 erhöhen. Allerdings nimmt über die Additionen und Subtraktionen auch der vom Empfängerrauschen stammende Rauschanteil der Werte zu, und zwar im Mittel um √2 hinsichtlich Amplitude. Nach jeweils zwei Stufen verdoppelt sich also die Rauschamplitude. Deshalb kann man in jeder zweiten Stufe das niederwertigste Bit, also das LSB weglassen (man skaliert also dann mit dem Faktor 0.5); das dadurch generierte Quantisierungsrauschen liegt unter dem Effekt des Empfängerrauschens, da der Wertebereich am Eingang der FFT so gewählt ist, dass schon dort das Empfängerrauschen die Amplitude von mehrere LSBs hat. Der Effekt des einfachen Weglassens der LSBs (also ohne Runden), also die dadurch entstehenden mittleren Fehler, kann man auch wieder durch Aufaddieren von Korrekturwerten zu den Eingangswerten der FFT kompensieren. In der Schaltung nach 8 ist diese Skalierung in der letzten Stufe weggelassen, da innerhalb der FFT keine weiteren Rechenschritte mehr folgen, die von einer Reduktion der Bitlänge profitieren würden; somit wächst die Bitlänge über die FFT von 8 Bit am Eingang auf 15 Bit am Ausgang an.In the butterflies, a complex-valued addition and subtraction of two complex-valued values takes place; the amount of the result can therefore be twice as large as the amount of the input values, so that the value range must be extended upwards by one bit. This would increase the bit length by 12 over the 12 stages of the FFT. However, the noise component of the values originating from the receiver noise also increases over the additions and subtractions, on average by √2 in terms of amplitude. After every two stages, the noise amplitude doubles. Therefore, the least significant bit, i.e. the LSB, can be omitted in every second stage (in this case, scaling is done by a factor of 0.5); the quantization noise generated in this way is less than the effect of the receiver noise, since the value range at the input of the FFT is selected so that the receiver noise already has the amplitude of several LSBs there. The effect of simply omitting the LSBs (i.e. without rounding), i.e. the resulting mean errors, can be compensated by adding correction values to the input values of the FFT. In the circuit according to 8 This scaling is omitted in the last stage, since there are no further calculation steps within the FFT that would benefit from a reduction in the bit length; thus, the bit length increases over the FFT from 8 bits at the input to 15 bits at the output.

Gemäß 8 ist die FFT in einer Struktur mit Dezimation in Frequenz (decimation-infrequency-FFT) ausgeführt, um die längsten Leitungen der Struktur und die nichtrivialen Multiplikationen in den vorderen Stufen mit ihrer geringeren Bitlänge zu haben (in den hinteren zwei Stufen gibt es keine Multiplikationen; der Faktor -ĵ stellt nur entsprechende Verdrahtung dar). Außerdem wird mit dieser Struktur ein Umsortieren der Eingangsdaten in Form von langen Leitungen vermieden; ein Umsortieren der Ausgangsdaten in ihre natürliche Reihenfolge wird für die weitere Verarbeitung hier nicht benötigt. Damit benötigt diese Struktur weniger Realisierungsaufwand als die alternative FFT-Struktur mit Dezimation in Zeit (decimation-in-time-FFT).According to 8 the FFT is implemented in a decimation-infrequency FFT structure in order to have the longest lines of the structure and the nontrivial multiplications in the front stages with their smaller bit length (there are no multiplications in the back two stages; the factor -ĵ only represents corresponding wiring). In addition, this structure avoids reordering the input data in the form of long lines; reordering the output data in their natural order is not required for further processing here. This structure therefore requires less implementation effort than the alternative decimation-in-time FFT structure.

Gemäß Bez. (8) ist zur Bestimmung der Korrelation Em,k die FFT auf das Produkt zwischen Empfangsfolge e(n) und der verschobenen Modulationsfolge b(n-m) anzuwenden. Wegen der zyklischen Natur der Modulationsfolge b(n) (sie hat Periode N) kann man aber auch das Produkt zwischen der unverschobenen Modulationsfolge b(n) und der zyklisch verschobenen Empfangsfolge e(modN(n+m)), wobei „modn“ die Modulofunktion zum Modul N darstellt, bilden und darauf die FFT anwenden: E m , k = FFT k ( e ( mod N ( n + m ) ) b ( n ) ) mit m = 0, , M 1 ;

Figure DE102023201147A1_0027
die Werte dieser Korrelation unterscheiden sich von denen der Bez. (8) in der Phase, sind aber im Betrag identisch und nur dieser ist für die weitere Auswertung relevant, so dass hier vereinfachend dasselbe Formelzeichen benutzt wird (dieser Zusammenhang ergibt sich aus dem Zeitverschiebungsversatz der Fouriertransformation). Das Produkt zwischen zyklisch verschobener Empfangsfolge e(modN(n+m)) und Modulationsfolge b(n) wird in 8 im Block 8.2 gebildet und über schaltbare Invertierer realisiert; für Werte 1 von b(n) bleibt der Eingangswert unverändert, für Werte -1 wird er einfach bitweise invertiert - der Effekt des Weglassens der beim Invertieren eigentlich nötigen Addition von einem LSB wird durch Aufaddieren von Korrekturwerten zu den Eingangswerten der FTT im Block 8.3 kompensiert. Es sei bemerkt, dass die schaltbaren Invertierer nur dann nötig sind, wenn sich die Modulationsfolge ändern kann - falls nicht, dann kann man die Invertierung hart implementieren und natürlich nur dort, wo sie stattfindet. Das zyklische Verschieben der Empfangsfolge wird über die Kette der Register z-1 realisiert, in welche initial die Werte der Empfangsfolge geladen werden.According to (8), to determine the correlation E m,k, the FFT is applied to the product between the reception sequence e(n) and the shifted modulation sequence b(nm). Due to the cyclic nature of the modulation sequence b(n) (it has a period of N), one can also form the product between the unshifted modulation sequence b(n) and the cyclically shifted reception sequence e(mod N (n+m)), where "modn" represents the modulo function for the module N, and apply the FFT to it: E m , k = FFT k ( e ( mod N ( n + m ) ) b ( n ) ) with m = 0, , M 1 ;
Figure DE102023201147A1_0027
the values of this correlation differ from those of the relation (8) in phase, but are identical in magnitude and only this is relevant for further evaluation, so that the same formula symbol is used here for simplicity (this relationship results from the time shift offset of the Fourier transformation). The product between the cyclically shifted reception sequence e(mod N (n+m)) and the modulation sequence b(n) is given in 8 formed in block 8.2 and implemented using switchable inverters; for values of 1 of b(n) the input value remains unchanged, for values of -1 it is simply inverted bit by bit - the effect of omitting the addition of one LSB that is actually required for inversion is compensated for by adding correction values to the input values of the FTT in block 8.3. It should be noted that the switchable inverters are only necessary if the modulation sequence can change - if not, then the inversion can be hard-implemented and of course only where it takes place. The cyclic shifting of the receive sequence is implemented using the chain of registers z -1 , into which the values of the receive sequence are initially loaded.

Zuvor werden im Block 8.1 zu der Empfangsfolge noch Korrekturwerte c1(n) aufaddiert, was zur Kompensation der Effekte von Verkopplungen und Reflektionen innerhalb des Lidarsystems oder von seiner unmittelbaren Umgebung, insbesondere einer Abdeckung dient; darauf wird später noch näher eingegangen.Before this, correction values c 1 (n) are added to the reception sequence in block 8.1, which serves to compensate for the effects of couplings and reflections within the lidar system or from its immediate surroundings, in particular a cover; this will be discussed in more detail later.

Wie schon oben erläutert, wird zur Vereinfachung von Berechnungen zur Quantisierung reines Abschneiden und zur Invertierung ein rein bitweises Invertieren benutzt; die Effekte der dabei entstehenden mittelwertbehafteten Fehler werden durch Addition von Korrekturwerten c2(n) im Block 8.3 vor der FFT kompensiert. Diese Korrekturstufe könnte man statt vor der FFT auch nach der FFT realisieren.As already explained above, pure truncation is used for quantization and pure bit-wise inversion is used for inversion to simplify calculations; the effects of the resulting mean-value errors are compensated for by adding correction values c 2 (n) in block 8.3 before the FFT. This correction stage could also be implemented after the FFT instead of before the FFT.

Nach der FFT, also nach Bildung der Korrelation Em,k wird das Ergebnis noch weiter prozessiert. Zuerst wird im Block 8.5 der Betrag für jeden der N=4096 komplexen Werte gebildet. Da hier keine hohe Genauigkeit benötigt wird, kann für den Betrag |i| des komplexen Wertes i = iRe + ĵ·ilm die folgende Näherung benutzten werden: | i | = max ( u + v / 8, u u / 8 + v / 2 ) mit u = max ( | i Re | , | i Im | )  und v = min ( | i Re | , | i Im | ) ,

Figure DE102023201147A1_0028
wobei „max“ und „min“ die Maximums- und Minimumsfunktion bezeichnen; diese Berechnung lässt sich mit geringem Logikaufwand implementieren.After the FFT, i.e. after forming the correlation E m,k, the result is processed further. First, in block 8.5, the absolute value for each of the N=4096 complex values is formed. Since no high level of accuracy is required here, the following approximation can be used for the absolute value |i| of the complex value i = i Re + ĵ·i lm : | i | = max ( u + v / 8, u u / 8 + v / 2 ) with u = max ( | i re | , | i In the | ) and v = min ( | i re | , | i In the | ) ,
Figure DE102023201147A1_0028
where “max” and “min” denote the maximum and minimum functions; this calculation can be implemented with little logic effort.

Die so berechneten Beträge der N=4096 Werte gehen sowohl in den Block 8.6 zur Summenbildung als auch in den Block 8.7 zur Bildung des Maximums. Beide Blöcke sind in kaskadierter Form ausgebildet; in jeder der 12 Stufen werden jeweils die Summen bzw. die Maxima von Wertepaaren gebildet. Benötigte Register zwischen den Stufen sind nicht dargestellt.The amounts of the N=4096 values calculated in this way go both to block 8.6 for summation and to block 8.7 for maximum calculation. Both blocks are designed in cascaded form; in each of the 12 stages, the sums or maxima of value pairs are calculated. Registers required between the stages are not shown.

Die Summenbildung wird zur Abschätzung des Rauschniveaus benötigt, um von Objekten generierte Betragsspitzen der Korrelation von Rauschspitzen unterscheiden zu können. Da es in der Korrelation nur sehr wenige von Objekten generierte Betragsspitzen gibt, also die meisten Werte nur Rauschen darstellen, liefert die Summe nach Division mit 4096, also Rechtsschieben um 12 Bits, eine gute Schätzung des Rauschniveaus.The summation is required to estimate the noise level in order to be able to distinguish peaks in the correlation generated by objects from noise peaks. Since there are very few peaks in the correlation generated by objects, i.e. most of the values are just noise, the sum after division by 4096, i.e. shifting to the right by 12 bits, provides a good estimate of the noise level.

Die Maximumsbestimmung ermittelt für die jeweilige Zeitverschiebung m (welche zur Entfernung korrespondiert) das Betragsmaximum und den zugehörigen Index k der N=4096 FFT-Ausgangswerte, also in der Frequenzverschiebungsdimension (welche neben dem durch die Relativgeschwindigkeit bedingten Doppleranteil auch einen laufzeitbedingten Anteil aufweist). Liegt dieses Maximum um wenigstens Faktor 3 über dem geschätzten Rauschen, wird es als von einem Objekt generiert betrachtet; aus zugehöriger Zeitverschiebung m=m0,1 und zugehörigem Frequenzverschiebungsindex k=k0,i können Entfernung und Relativgeschwindigkeit des jeweiligen Objekts i mit Hilfe der Bez. (7a) und (14) bestimmt werden, aus dem Pegel seine Reflektivität. Wird wie im Block 8.7 dargestellt nur das absolute Maximum bestimmt, kann bei einer Entfernung nur das reflektionsstärkste Objekt im jeweiligen Pixel bestimmt werden. Soll der sehr unwahrscheinliche Fall abgedeckt werden, dass es in einer Entfernung (also etwa dem Bereich von einem halben Meter) in einem Pixel zwei Objekte mit unterschiedlicher Relativgeschwindigkeit gibt, könnte man auch das jeweilige Maximum von mehreren Werteblöcken ausgeben - wegen dem kaskadierten Aufbau der Maximumssuche z. B. von 8 gleich langen Blöcken. Mehrere Blöcke können bei entsprechender Anordnung der Eingangsdaten der Maximumssuche auch dazu genutzt werden, dass man eine Interpolation der Betragsspitze in der FFT für eine genauere Bestimmung der Frequenzverschiebung durchführen kann; denn typischerweise sieht man diese Betragsspitze in zwei benachbarten FFT-Werten (da sie nicht - wie bisher betrachtet - bei einem ganzzahligen Index k0 liegt) und wenn durch entsprechende Anordnung der Eingangsdaten diese in unterschiedlichen Blöcken der Maximumssuche sind, erhält man danach beide Werte.The maximum determination determines the maximum value and the associated index k of the N=4096 FFT output values for the respective time shift m (which corresponds to the distance), i.e. in the frequency shift dimension (which, in addition to the Doppler component caused by the relative speed, also has a transit time component). If this maximum is at least a factor of 3 above the estimated noise, it is considered to be generated by an object; from the associated time shift m=m 0.1 and the associated frequency shift index k=k 0.i, the distance and relative speed of the respective object i can be determined using the equations (7a) and (14), and from the level its reflectivity. If only the absolute maximum is determined as shown in block 8.7, for a distance If the highly reflective object in the respective pixel is to be covered, only the object with the strongest reflection is to be determined. If the very unlikely case is to be covered that there are two objects with different relative speeds at a distance (i.e., in the range of about half a meter) in a pixel, the respective maximum of several value blocks could also be output - because of the cascaded structure of the maximum search, e.g. of 8 blocks of equal length. If the input data of the maximum search are arranged accordingly, several blocks can also be used to interpolate the magnitude peak in the FFT for a more precise determination of the frequency shift; because this magnitude peak is typically seen in two neighboring FFT values (since it is not - as previously considered - at an integer index k 0 ) and if these are in different blocks of the maximum search by arranging the input data accordingly, both values are then obtained.

Es sei noch bemerkt, dass hier für die FFT keine Fensterfunktion benutzt wurde, also keine Multiplikation der Eingangswerte der FFT mit einer Art Glockenkurve; dies wäre nur nötig bzw. sinnvoll, wenn in gleicher Entfernung in einem Pixel zwei Objekte mit ähnlicher Relativgeschwindigkeit und deutlich unterschiedlicher Reflektionsstärke auftreten können und separiert werden sollen. Insbesondere wenn keine Fensterfunktion am Eingang der FFT benutzt wird, wird die Sensitivität am Ausgang der FFT dann reduziert (also das Detektionsvermögen von Objekten mit schwacher Reflektivität und hoher Entfernung), wenn der Frequenzverschiebungsindex k0 nicht ganzzahlig ist, also sich die Betragsspitze auf zwei benachbarte FFT-Werte aufteilt. Dieser Effekt kann dadurch reduzieret werden, dass die Länge der FFT höher gewählt wird als die ihres Eingangssignals, d. h. es werden an das Eingangssignal Nullen angehängt, was als Zero-Padding bezeichnet wird.It should also be noted that no window function was used for the FFT here, i.e. no multiplication of the FFT input values with a kind of bell curve; this would only be necessary or useful if two objects with similar relative speed and significantly different reflection strengths can occur at the same distance in a pixel and are to be separated. In particular, if no window function is used at the input of the FFT, the sensitivity at the output of the FFT is reduced (i.e. the detection capability of objects with weak reflectivity and a long distance) if the frequency shift index k 0 is not an integer, i.e. the magnitude peak is divided between two neighboring FFT values. This effect can be reduced by choosing the length of the FFT to be longer than that of its input signal, i.e. zeros are appended to the input signal, which is known as zero padding.

Hinsichtlich der Indexbestimmung in der Maximumssuche sei noch angemerkt, dass diese wegen der kaskadierten Realisierung sehr einfach bitweise beginnend mit dem LSB aufgebaut werden kann; am Ausgang jedes Vergleichs zweier Werte gibt es neben dem aktuellen Maximumswert noch einen Indexwert, dessen Bitlänge der Nummer der Stufe entspricht. Der so entstehende Index bezieht sich auf die lineare Nummerierung am Eingang der Maximumssuche; da die Nummerierung am Ausgang der FFT hinsichtlich dem Frequenzverschiebungsindex k verwürfelt ist, muss man später noch eine Umrechnung/Abbildung durchführen.With regard to the index determination in the maximum search, it should be noted that, due to the cascaded implementation, this can be built up very easily bit by bit, starting with the LSB; at the output of each comparison of two values, in addition to the current maximum value, there is also an index value whose bit length corresponds to the number of the stage. The index created in this way refers to the linear numbering at the input of the maximum search; since the numbering at the output of the FFT is scrambled with regard to the frequency shift index k, a conversion/mapping must be carried out later.

Für die Ausgangsdimension der FFT, also die diskrete Frequenz ist bisher - wie allgemein üblich - der nicht symmetrisch liegende Bereich k = 0,...,N-1 betrachtet worden; die tatsächliche Frequenzverschiebung k kann aber beide Vorzeichen annehmen und ist typischerweise durch vorhergehende Tiefpassfilterung z. B. als Teil des Analog-Digital-Wandlers beschränkt, wobei für diese Beschränkung hier etwas vereinfachend der Bereich k = -N/2,...,+N/2 angenommen sei, so dass die obere Hälfte von k = 0,...,N-1 zu negativen Werten durch Subtraktion von N abzubilden ist.For the output dimension of the FFT, i.e. the discrete frequency, the non-symmetrical range k = 0,...,N-1 has so far been considered - as is generally the case; the actual frequency shift k can, however, take on either sign and is typically limited by previous low-pass filtering, e.g. as part of the analog-digital converter, whereby for this limitation the range k = -N/2,...,+N/2 is assumed here for the sake of simplicity, so that the upper half of k = 0,...,N-1 can be mapped to negative values by subtracting N.

Bei der hier betrachteten Auslegung (Abtastzeit Ts = 3.33ns und Modulationsbandbreite B = 800MHz der linearen Frequenzmodulation) beträgt der Relativgeschwindigkeitsbereich am Ausgang der FFT für eine Objektentfernung Null ungefähr ±419km/h (aus Bez. (14) mit k0,i = ±N/2) und für eine maximale Objektentfernung von 249.5m ungefähr -147...+690km/h (aus Bez. (14) mit k0,i = ±N/2 und m0,i = M-1 = 499); damit ist der mögliche bzw. funktional interessierende Bereich der Relativgeschwindigkeiten vollständig abgedeckt und bis auf negative Geschwindigkeiten bei großer Entfernung sogar deutlich überfüllt - später wird gezeigt, wie eine gleichmäßige Überabdeckung des Relativgeschwindigkeitsbereichs, also für alle Entfernungen, erzielt werden kann, um mit Hilfe einer anschließenden Dezimation eine Reduzierung der FFT-Länge zu realisieren. Generell kann eine Dezimation vor der FFT benutzen werden, wenn der Bereich der möglichen Frequenzverschiebungen geringer ist als der Frequenzbereich der FFT, also wenn z. B. die Abtast- und Modulationszeit kleiner und/oder die Länge N der Modulationsfolge größer als bisher betrachtet sind; im einfachsten Fall erfolgt eine solche Dezimation durch Bildung von Teilsummen der Produktfolge aus verschobener Empfangsfolge multipliziert mit der Modulationsfolge.In the design considered here (sampling time T s = 3.33 ns and modulation bandwidth B = 800 MHz of the linear frequency modulation), the relative speed range at the output of the FFT for an object distance of zero is approximately ±419 km/h (from reference (14) with k 0,i = ±N/2) and for a maximum object distance of 249.5 m approximately -147...+690 km/h (from reference (14) with k 0,i = ±N/2 and m 0,i = M-1 = 499); thus, the possible or functionally interesting range of relative speeds is completely covered and, except for negative speeds at large distances, even significantly overfilled - later it will be shown how a uniform coverage of the relative speed range, i.e. for all distances, can be achieved in order to realize a reduction in the FFT length with the help of a subsequent decimation. In general, decimation can be used before the FFT if the range of possible frequency shifts is smaller than the frequency range of the FFT, i.e. if, for example, the sampling and modulation time is shorter and/or the length N of the modulation sequence is longer than previously considered; in the simplest case, such decimation is carried out by forming partial sums of the product sequence of the shifted reception sequence multiplied by the modulation sequence.

Wie oben schon angedeutet, findet eine Tiefpassfilterung des Empfangssignals nach dem Mischer statt - dies kann in einem dedizierten Filter geschehen oder als Teil des Analog-Digital-Wandlers (insbesondere wenn dieser als Delta-Sigma-Wandler realisiert ist). Für optimale Sensitivität (also optimales Signal-zu-Rauschverhältnis) wird ein Optimalfilter bezogen auf die Modulationsform eingesetzt: im Falle eines rechteckförmigen sendeseitigen Modulationssignals, welches seine Form auch im Empfangssignal behält (also nach Mischung), hat die Impulsantwort des Tiefpasses auch diesen rechteckförmigen Verlauf. Nach dem Tiefpass erhält man dann für die Elemente des Empfangssignals einen dreiecksförmigen Verlauf doppelter Länge - allerdings exakt nur, wenn die Frequenzverschiebung Null ist. Für andere Frequenzverschiebungen ist eine Filterung mit einem solchen Tiefpass umso weniger optimal (im Sinne einer maximalen Sensitivität), je größer die Frequenzverschiebung ist; durch eine kleinere Abtastzeit Ts (also höhere Abtastfrequenz) kann der relative Bereich der Frequenzverschiebungen und damit der Verlust an Signal-zu-Rauschverhältnis bei der Tiefpassfilterung reduziert werden, wobei dann die Modulationszeit Tm auch höher als die Abtastzeit wählen werden kann, um in Kombination mit einer Dezimation vor der FFT den benötigten Rechenaufwand nicht signifikant zu erhöhen. Durch die Tiefpassfilterung treten in der Korrelation Em,k typischerweise in zwei aufeinanderfolgenden diskreten Entfernungen m Betragsspitzen auf, so dass über ihre Werte eine Interpolation zur genaueren Entfernungsbestimmung durchführt werden kann.As already mentioned above, the received signal is low-pass filtered after the mixer - this can be done in a dedicated filter or as part of the analog-digital converter (especially if this is implemented as a delta-sigma converter). For optimal sensitivity (i.e. optimal signal-to-noise ratio), an optimal filter is used based on the modulation form: in the case of a rectangular transmit-side modulation signal, which also retains its shape in the received signal (i.e. after mixing), the impulse response of the low-pass also has this rectangular shape. After the low-pass, a triangular shape of twice the length is obtained for the elements of the received signal - but only exactly when the frequency shift is zero. For other frequency shifts, filtering with such a low-pass filter is even less optimal (in the sense of maximum sensitivity). the larger the frequency shift; by using a smaller sampling time T s (i.e. higher sampling frequency), the relative range of the frequency shifts and thus the loss of signal-to-noise ratio in the low-pass filtering can be reduced, whereby the modulation time T m can then also be selected to be higher than the sampling time in order not to significantly increase the required computational effort in combination with decimation before the FFT. Due to the low-pass filtering, m magnitude peaks typically occur in the correlation E m,k at two consecutive discrete distances, so that an interpolation can be carried out using their values to determine the distance more precisely.

Am Ausgang der in 8 dargestellten festverdrahteten Digitalschaltung fällt jeden Takt, also etwa jede Nanosekunde, die Information an, ob und bei welcher Relativgeschwindigkeit im jeweiligen Pixel und der jeweils betrachteten Entfernung es ein Objekt gibt. Die Empfangsfolge e(n) eines Pixels wird einmal in die Register geladen und bleibt dann über M = 500 Takte bei zyklischem Durchschieben erhalten (für die 500 unterschiedlichen Verschiebungen m und damit unterschiedlichen Entfernungen). Nach M = 500 Takten wird dann die Empfangsfolge des nächsten Pixels geladen. So werden sukzessive alle z. B. 160.000 Pixel von einem Erfassungszyklus mit 100ms Dauer ausgewertet.At the exit of the 8 The hard-wired digital circuit shown generates information every clock cycle, i.e. approximately every nanosecond, as to whether and at what relative speed there is an object in the respective pixel and at the respective distance being considered. The reception sequence e(n) of a pixel is loaded into the register once and is then retained for M = 500 clock cycles with cyclic shifting (for the 500 different shifts m and thus different distances). After M = 500 clock cycles, the reception sequence of the next pixel is then loaded. In this way, all 160,000 pixels, for example, are successively evaluated from a detection cycle with a duration of 100 ms.

Die Logik der Digitalschaltung nach 8 besteht hauptsächlich aus Addieren - etwa 300.000 Addierer mit im Mittel der Länge 12 Bit werden benötigt. Durch die immer kleiner werdenden Strukturgrößen von Halbleitertechnologien für Digitalschaltungen wird die Realisierung einer solchen umfangreichen festverdrahten Schaltung ermöglicht - sowohl hinsichtlich Kosten als auch Leistungsverbrauch. Im Vergleich zur Frequenzmodulation nach Stand der Technik verschiebt die Phasenmodulation den Realisierungsaufwand für kohärente Lidarsysteme mehr in den digitalen Bereich (da der analoge Teil einfacher wird, da - wie später erläutert - keine hochgenaue Linearität der Frequenzänderung und keine komplexwertigen Empfänger benötigt werden); wegen dem permanenten und schnellen Fortschritt in den Halbleitertechnologien für Digitalschaltungen führt das zu einer kostenoptimaleren, d. h. günstigeren Lösung.The logic of the digital circuit according to 8 consists mainly of adding - around 300,000 adders with an average length of 12 bits are required. The ever smaller structure sizes of semiconductor technologies for digital circuits make it possible to implement such a large hard-wired circuit - both in terms of costs and power consumption. Compared to state-of-the-art frequency modulation, phase modulation shifts the implementation effort for coherent lidar systems more into the digital area (since the analogue part becomes simpler, since - as explained later - no high-precision linearity of the frequency change and no complex-value receivers are required); due to the permanent and rapid progress in semiconductor technologies for digital circuits, this leads to a more cost-optimised, i.e. cheaper, solution.

Nun soll noch eine gegenüber 8 alternative Struktur betrachtet werden. Die zweidimensionale Korrelation Em,k nach Bez. (6) kann auch als eindimensionale zeitliche Korrelation zwischen Empfangsfolge e(n) und Folge b(n)·exp(-j2π·n/N·k) sehen, welche für jedes k durchgeführt werden: E m , k = CC m ( e ( n ) ,  b ( n ) exp ( j ^ 2 π n / N k ) ) mit k = 0, , N 1,

Figure DE102023201147A1_0029
wobei „CCm“ die zyklische Korrelation zwischen den beiden Folgen der Länge N bedeutet und dabei m = 0,...,N-1 die Dimension am Ausgang der Korrelation ist; da in der betrachteten Auslegung N>M ist, werden durch die zyklische Korrelation also mehr diskrete Entfernungen m als benötigt prozessiert.Now another one opposite 8 alternative structure. The two-dimensional correlation E m,k according to (6) can also be seen as a one-dimensional temporal correlation between reception sequence e(n) and sequence b(n)·exp(-j2π·n/N·k), which is carried out for each k: E m , k = CC m ( e ( n ) , b ( n ) ex ( j ^ 2 π n / N k ) ) with k = 0, , N 1,
Figure DE102023201147A1_0029
where “CC m ” means the cyclic correlation between the two sequences of length N and m = 0,...,N-1 is the dimension at the output of the correlation; since in the design considered N>M, more discrete distances m are processed by the cyclic correlation than required.

Eine zyklische Korrelation im Zeitbereich entspricht einer Multiplikation der diskreten Fouriertransformierten im Frequenzbereich: E m , k = IFFT m ( FFT ( e ( n ) ) FFT ( b ( n ) exp ( j ^ 2 π n / N k ) ) ) mit k = 0, , N 1 ,

Figure DE102023201147A1_0030
wobei IFFTm die inverse schnelle Fouriertransformation bedeutet und m = 0,...,N-1 ihre Ausgangsdimension ist (hier ist schon angenommen, dass die DFT über eine FFT realisiert wird). Gemäß dem Frequenzverschiebungssatz der Fouriertransformation bedeutet der auf die Modulationsfolge b(n) im Zeitbereich angewendete Faktor exp(-j2π·n/N·k) eine Verschiebung im Frequenzbereich, also der Fouriertransformierten: E m , k = IFFT m ( E ( I ) B ( I + k ) ) mit E ( I ) = FFT I ( e ( n ) ) ,  B ( I ) = FFT I ( b ( n ) )  und k = 0, , N 1 ;
Figure DE102023201147A1_0031
wegen dem Frequenzverschiebungssatz der Fouriertransformation und der zyklischen Natur der diskreten Fouriertransformierten können für den Betrag der Korrelation folgende weitere Umformungen vorgenomen werden: | E m , k | = | IFFT m ( E ( I k ) B ( I ) ) | = | IFFT m ( E ( mod N ( I k ) ) B ( I ) ) |
Figure DE102023201147A1_0032
mit E ( l ) = FFT l ( e ( n ) ) , B ( l ) = FFT l ( b ( n ) ) und k = 0, , N 1 .
Figure DE102023201147A1_0033
A cyclic correlation in the time domain corresponds to a multiplication of the discrete Fourier transform in the frequency domain: E m , k = IFFT m ( FFT ( e ( n ) ) FFT ( b ( n ) ex ( j ^ 2 π n / N k ) ) ) with k = 0, , N 1 ,
Figure DE102023201147A1_0030
where IFFT m means the inverse fast Fourier transform and m = 0,...,N-1 is its output dimension (here it is already assumed that the DFT is realized via an FFT). According to the frequency shift theorem of the Fourier transform, the factor exp(-j2π·n/N·k) applied to the modulation sequence b(n) in the time domain means a shift in the frequency domain, i.e. of the Fourier transform: E m , k = IFFT m ( E ( I ) B ( I + k ) ) with E ( I ) = FFT I ( e ( n ) ) , B ( I ) = FFT I ( b ( n ) ) and k = 0, , N 1 ;
Figure DE102023201147A1_0031
Due to the frequency shift theorem of the Fourier transform and the cyclic nature of the discrete Fourier transform, the following further transformations can be made for the magnitude of the correlation: | E m , k | = | IFFT m ( E ( I k ) B ( I ) ) | = | IFFT m ( E ( mod N ( I k ) ) B ( I ) ) |
Figure DE102023201147A1_0032
with E ( l ) = FFT l ( e ( n ) ) , B ( l ) = FFT l ( b ( n ) ) and k = 0, , N 1 .
Figure DE102023201147A1_0033

Diesen Zusammenhang kann in eine Struktur analog zu der in 8 dargestellten Struktur umgesetzt werden. Eingangswerte der Struktur sind die FFT der Empfangsfolge, die vorab zu berechnen ist. Sie wird in um k zyklisch verschobener Form mit der vorab bestimmten FFT der Modulationsfolge b(n) multipliziert. Danach kommt eine inverse FFT (IFFT), die sich von der FFT nur im Vorzeichen der Drehfaktoren unterscheidet; die Ausgangsdimension dieser IFFT ist die Entfernungsdimension m (bei der Struktur nach 8 ist sie die Frequenzverschiebungsdimension k), d. h. für eine diskrete Frequenzverschiebung k liegt die zweidimensionale Korrelation Em,k über der Entfernungsdimension m = 0,...,N-1 vor. Danach folgt dann wieder eine Betragsbildung und dann eine Summen- und Maximumsbildung, nun über die Entfernungsdimension. In einem Pixel kann es zwar mehrere Reflektionen mit unterschiedlicher Entfernung geben, aber die Wahrscheinlichkeit, dass diese gleiche Frequenzverschiebung (welche sich aus Beiträgen von Relativgeschwindigkeit und Entfernung zusammensetzt) aufweisen, ist gering, so dass auch hier die Bestimmung des absoluten Maximums ausreicht; als Beispiel sei der Fall von Nebel plus gegebenenfalls stationärem Objekt in einem Pixel betrachtet: zwar haben dann alle Reflektionen gleiche Relativgeschwindigkeit, aber wegen unterschiedlicher Entfernung eine unterschiedliche Frequenzverschiebung. Aus den über der Detektionsschwelle liegenden Maxima mit Indices m=m0,i und k=k0,i können wieder Entfernung und Relativgeschwindigkeit des jeweiligen Objekts i mit Hilfe der Bez. (7a) und (14) bestimmt werden.This connection can be translated into a structure analogous to that in 8 shown structure. The input values of the structure are the FFT of the reception sequence, which is to be calculated in advance. It is multiplied in a form cyclically shifted by k with the previously determined FFT of the modulation sequence b(n). This is followed by an inverse FFT (IFFT), which differs from the FFT only in the sign of the rotation factors; the output dimension of this IFFT is the distance dimension m (in the structure according to 8 it is the frequency shift dimension k), i.e. for a discrete frequency shift k, the two-dimensional correlation E m,k is present over the distance dimension m = 0,...,N-1. This is followed by a magnitude calculation and then a sum and maximum calculation, this time over the distance dimension. In a pixel there can be several reflections with different distances, but the probability that these have the same frequency shift (which is made up of contributions from relative speed and distance) is low, so that here too the determination of the absolute maximum is sufficient; as an example, consider the case of fog plus a possibly stationary object in a pixel: although all reflections then have the same relative speed, they have a different frequency shift due to different distances. From the maxima above the detection threshold with indices m=m 0,i and k=k 0,i the distance and relative speed of the respective object i can again be determined using the equations (7a) and (14).

Falls immer die gleiche Modulationsfolge b(n) benutzt wird, können die Multiplizierer für die Realisierung des Produkts E(modN(I-k))·B(I) in festverdrahteter Form implementiert werden - durch Approximation und CSD-Darstellung wird dann nur ein geringer Realisierungsaufwand nötig. Falls sich die Modulationsfolge ändert, können programmierbare Multiplizierer nötig werden, die deutlich mehr Implementierungsaufwand bedeuten.If the same modulation sequence b(n) is always used, the multipliers for the realization of the product E(mod N (Ik))·B(I) can be implemented in hard-wired form - through approximation and CSD representation, only a small implementation effort is then required. If the modulation sequence changes, programmable multipliers may be necessary, which mean significantly more implementation effort.

Wie oben erläutert, werden bei dem hier angenommen N>M (N ≈ 8M) in der Regel viel mehr diskrete Entfernungen m =0,...,N-1 als benötigt prozessiert. Dies kann dadurch umgangen werden, dass vor der IFFT eine Dezimation durchgeführt wird - bei einer Dezimation um den Faktor 8 entstehen aus den N = 4096 Werten dann nur noch 512 Werte, welche in die IFFT gespeist werden; im einfachsten Fall wird die Dezimation durch Addition von jeweils 8 benachbarten Werten realisiert. Damit hat die IFFT statt der ursprünglichen Dimension 4096 nur noch die Dimension 512 und benötigt damit viel weniger Realisierungsaufwand; mit ihrer Länge 512 deckt sie auch noch den vollen Entfernungsbereich der Länge M = 500 ab.As explained above, with the assumed N>M (N ≈ 8M) many more discrete distances m = 0,..., N-1 are usually processed than required. This can be avoided by carrying out a decimation before the IFFT - with a decimation by a factor of 8, the N = 4096 values then only result in 512 values, which are fed into the IFFT; in the simplest case, the decimation is implemented by adding 8 neighboring values. This means that the IFFT only has the dimension 512 instead of the original dimension 4096 and therefore requires much less implementation effort; with its length 512 it also covers the full distance range of the length M = 500.

Allerdings ist zu berücksichtigen, dass eine solche Struktur pro Pixel N = 4096 Mal durchgetaktet werden muss (so viele Verschiebungen müssen für die FFT des Eingangssignals durchgerechnet werden); das ist gut Faktor 8 mehr als in der Struktur nach 8, welche aber mit einer Taktrate von etwa 1GHz schon am Maximum des Realisierbaren liegt. Deshalb müsste diese alternative Struktur zu Bez. (22) mehrfach aufgebaut werden, was den Vorteil der kürzeren Länge der IFFT mehr als zunichte macht. Eine solche alternative Struktur ist dann sinnvoll, wenn das Produkt aus Abtastlänge N (und damit gemäß bisher betrachteter Auslegung der Modulationslänge) und der Pixelanzahl so gering ist, dass die Struktur nur wenige Male, vorzugsweise einmal benötigt wird.However, it must be taken into account that such a structure must be clocked N = 4096 times per pixel (this is how many shifts must be calculated for the FFT of the input signal); this is a good factor of 8 more than in the structure according to 8 , which, however, is already at the maximum of what is feasible with a clock rate of about 1 GHz. Therefore, this alternative structure for reference (22) would have to be constructed several times, which more than negates the advantage of the shorter length of the IFFT. Such an alternative structure is useful when the product of the sampling length N (and thus according to the design of the modulation length considered so far) and the number of pixels is so small that the structure is only needed a few times, preferably once.

Optimierte Rechenlogik unter Verwendung von Drehfaktoren und DezimationOptimized calculation logic using rotation factors and decimation

Wie oben erläutert, setzt sich die gesamte Frequenzverschiebung und damit die Frequenz fe des Empfangssignals nach Mischung aus der Dopplerverschiebung und dem durch die lineare Frequenzmodulation generierten laufzeitbedingten Anteil zusammen: f e = f D + f r = 2v / λ 2r / c B / T pm ,

Figure DE102023201147A1_0034
und für die diskrete Frequenz k0 der Empfangsfolge e(n) gilt: k 0 = N T s ( f D f r ) = N T s 2 v / λ m 0 T s B .
Figure DE102023201147A1_0035
As explained above, the total frequency shift and thus the frequency f e of the received signal is composed of the Doppler shift and the delay-related component generated by the linear frequency modulation: e e = e D + e r = 2v / λ 2r / c B / T pm ,
Figure DE102023201147A1_0034
and for the discrete frequency k 0 of the reception sequence e(n) the following applies: k 0 = N T s ( e D e r ) = N T s 2 v / λ m 0 T s B .
Figure DE102023201147A1_0035

Der laufzeitbedingte Anteil (in obigen Beziehungen der zweite Anteil zu Entfernung r bzw. diskreter Laufzeit m0) führt dazu, dass der für die Auswertung relevante Frequenzbereich von der Entfernung abhängt und mit dieser zunimmt. Dies bedeutet, dass für die Berechnungsstruktur nach 8 effektiv eine längere FFT und damit mehr Aufwand benötigt wird verglichen zu reiner Phasenmodulation, also keiner zusätzlichen linearen Frequenzmodulation. Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass der laufzeitbedingte Frequenzanteil -m0·Ts·B vor der FFT eliminiert wird; dies soll nun kurz hergleitet werden, wozu die zweidimensionale Korrelation Em,k nach Bez. (6) wie folgt ungeformt wird: E m , k = sum n = 0, , N 1 ( e ( n ) b ( n m ) exp ( j ^ 2 π n / N k ) ) , m = 0, , M 1  und k = 0, , N 1, ( ( 6 ) ) = sum n = 0, , N 1 ( [ e ( n ) b ( n m ) exp ( + j ^ 2 π n / N m T s B ) ] exp ( j ^ 2 π n / N [ k + m T s B ] ) ) = sum n = 0, , N 1 ( [ e ( n ) b ( n m ) exp ( + j ^ 2 π n / N m T s B ) ] exp ( j ^ 2 π n / N k ) ) mit  k _ = k + m T s ( 23 ) = FFT k _ ( [ e ( n ) b ( n m ) ] exp ( + j ^ 2 π n / N m T s B ) ) ;   ( 24 )

Figure DE102023201147A1_0036
die Ausgangsdimension der FFT ist also nun die diskrete Frequenz k, so dass gemäß Bez. (13a) und (24) die Position k0 von FFT-Betragsspitzen nur noch zur Relativgeschwindigkeit des jeweiligen Objekts korrespondiert: k _ 0 = N T s 2 v / λ .
Figure DE102023201147A1_0037
The transit time-related component (in the above relationships the second component to distance r or discrete transit time m 0 ) means that the frequency range relevant for the evaluation depends on the distance and increases with it. This means that for the calculation structure according to 8 effectively a longer FFT and thus more effort is required compared to pure phase modulation, i.e. no additional linear frequency modulation. This problem can be solved by eliminating the runtime-related frequency component -m 0 ·T s ·B before the FFT; this will now be briefly derived, for which the two-dimensional correlation E m,k according to equation (6) is unformed as follows: E m , k = sum n = 0, , N 1 ( e ( n ) b ( n m ) ex ( j ^ 2 π n / N k ) ) , m = 0, , M 1 and k = 0, , N 1, ( ( 6 ) ) = sum n = 0, , N 1 ( [ e ( n ) b ( n m ) ex ( + j ^ 2 π n / N m T s B ) ] ex ( j ^ 2 π n / N [ k + m T s B ] ) ) = sum n = 0, , N 1 ( [ e ( n ) b ( n m ) ex ( + j ^ 2 π n / N m T s B ) ] ex ( j ^ 2 π n / N k ) ) with k _ = k + m T s B ( 23 ) = FFT k _ ( [ e ( n ) b ( n m ) ] ex ( + j ^ 2 π n / N m T s B ) ) ; ( 24 )
Figure DE102023201147A1_0036
The output dimension of the FFT is now the discrete frequency k, so that according to (13a) and (24) the position k 0 of FFT magnitude peaks only corresponds to the relative velocity of the respective object: k _ 0 = N T s 2 v / λ .
Figure DE102023201147A1_0037

Das Produkt zwischen Empfangsfolge e(n) und verschobener Modulationsfolge b(n-m) ist vor FFT mit den Drehfaktoren d n , m = exp ( + j ^ 2 π n / N m T s B )

Figure DE102023201147A1_0038
zu multiplizieren. Diese Multiplikation findet im Block 10.8 der in 10 dargestellten Berechnungsstruktur statt, also vor Beginn der FFT mit der im Block 10.3 stattfindenden Addition von Korrekturwerten c2(n) für mittelwertbehaftete Fehler innerhalb der FFT durch Abschneiden und rein bitweises Invertieren; Blöcke in 10, welche gegenüber der Berechnungsstruktur nach 8 im Wesentlichen unverändert sind (sich primär nur in der Dimension ändern), sind durch gleiche Subnummern .1-.7 gekennzeichnet.The product between reception sequence e(n) and shifted modulation sequence b(nm) is before FFT with the rotation factors d n , m = ex ( + j ^ 2 π n / N m T s B )
Figure DE102023201147A1_0038
This multiplication takes place in block 10.8 of the 10 shown calculation structure, i.e. before the start of the FFT with the addition of correction values c 2 (n) for mean errors within the FFT by truncation and purely bit-wise inversion in block 10.3; blocks in 10 , which compared to the calculation structure according to 8 are essentially unchanged (changing primarily only in dimension) are identified by identical subnumbers .1-.7.

Bei unveränderter Dimension N = 4096 der FFT, welche für die diskrete Frequenz k den Bereich k = -N/2,..., N/2 erschließt, resultiert für die Relativgeschwindigkeit v ungefähr der Bereich ±419km/h (aus v = λ/(2N·Ts)·k mit k = ±N/2), der deutlich über dem relevanten Geschwindigkeitsbereich von beispielsweise Vmin = -80km/h bis vmax = +280km/h liegt - für sich relativ zubewegende Objekte (positives Vorzeichen von v) sind betragsmäßig höhere Relativgeschwindigkeiten funktional relevant als für sich wegbewegende Objekte (negatives Vorzeichen). Der korrespondierende unsymmetrische Bereich für die Frequenz k kann durch entsprechende Verschiebung um die Offsetfrequenz k _ offset = N T s 2 ( v max + v min ) / 2 / λ = N T s ( v max + v min ) / λ

Figure DE102023201147A1_0039
in die Frequenz k _ _ = k _ k _ offset
Figure DE102023201147A1_0040
mit symmetrischem Bereich transferiert werden; mit Bez. (23) und (27) erhält man für diese laufzeitbereinigte und zentrierte Frequenz: k _ _ = k + m T s B N T s ( v max + v min ) / λ .
Figure DE102023201147A1_0041
With unchanged dimension N = 4096 of the FFT, which for the discrete frequency k opens up the range k = -N/2,..., N/2, the relative speed v results in approximately the range ±419km/h (from v = λ/(2N·T s )·k with k = ±N/2), which is significantly above the relevant speed range of, for example, V min = -80km/h to v max = +280km/h - for objects moving towards each other (positive sign of v), higher relative speeds are functionally relevant than for objects moving away (negative sign). The corresponding asymmetrical range for the frequency k can be determined by appropriate shifting by the offset frequency. k _ offset = N T s 2 ( v max + v min ) / 2 / λ = N T s ( v max + v min ) / λ
Figure DE102023201147A1_0039
in the frequency k _ _ = k _ k _ offset
Figure DE102023201147A1_0040
with symmetrical range; using (23) and (27) one obtains for this runtime-corrected and centered frequency: k _ _ = k + m T s B N T s ( v max + v min ) / λ .
Figure DE102023201147A1_0041

Bei Verwendung dieser Frequenz k für die FFT ergibt sich für die zweidimensionale Korrelation Em,k analog zur Herleitung ihrer Darstellung nach Bez. (24): E m , k = FFT k _ _ ( [ e ( n ) b ( n m ) ] exp ( + j ^ 2 π n / N [ m T s B k _ offset ] ) ) = FFT k _ _ ( [ e ( n ) b ( n m ) ] exp ( + j ^ 2 π n / N [ m T s B N T s ( v max + v min ) / λ ] ) ) ,

Figure DE102023201147A1_0042
so dass vor der FFT die Produktfolge e(n)·b(n-m) mit den modifizierten Drehfaktoren d n , m = exp ( + j ^ 2 π n / N [ m T s B k _ offset ] ) = exp ( + j ^ 2 π n / N [ m T s B N T s ( v max + v min ) / λ ] )
Figure DE102023201147A1_0043
zu multiplizieren ist.Using this frequency k for the FFT, the two-dimensional correlation E m,k is obtained analogously to the derivation of its representation according to (24): E m , k = FFT k _ _ ( [ e ( n ) b ( n m ) ] ex ( + j ^ 2 π n / N [ m T s B k _ offset ] ) ) = FFT k _ _ ( [ e ( n ) b ( n m ) ] ex ( + j ^ 2 π n / N [ m T s B N T s ( v max + v min ) / λ ] ) ) ,
Figure DE102023201147A1_0042
so that before the FFT the product sequence e(n)·b(nm) with the modified rotation factors d n , m = ex ( + j ^ 2 π n / N [ m T s B k _ offset ] ) = ex ( + j ^ 2 π n / N [ m T s B N T s ( v max + v min ) / λ ] )
Figure DE102023201147A1_0043
to be multiplied.

Für den beispielhaften Relativgeschwindigkeitsbereich von vmin = -80km/h bis vmax = +280km/h ergibt sich für diese Frequenz k am Ausgang der FFT der symmetrische Bereich k = -881,...,+881. Dieser Bereich ist kleiner als die halbe FFT-Länge N/2 = 2048, so dass vor der FFT eine Dezimation um den Faktor 2 durchgeführt werden kann. Im einfachsten Fall kann dies - wie im Block 10.9 von 10 dargestellt - durch Addition jeweils zweier aufeinanderfolgenden der insgesamt N Werte geschehen. Die N/2 Summenwerte bilden dann die Eingangswerte der FFT, welcher der Block 10.3 zur Addition von Korrekturwerten c2(n) vorgeschaltet ist. Wegen halbierter Länge N/2 = 2048 hat die FFT eine Stufe weniger, also nur noch 11 Stufen (siehe FFT-Block 10.4 in Berechnungsstruktur nach 10). Die Frequenz k am Ausgang der FFT erstreckt sich nur noch über den Bereich k = 0,..., N/2-1. Die nachfolgenden Blöcke 10.5-10.7 zur Betrags-, Summen- und Maximumsbildung haben ebenfalls nur noch halbe Dimension N/2 = 2048.For the example relative speed range from v min = -80km/h to v max = +280km/h, the symmetrical range k = -881,...,+881 results for this frequency k at the output of the FFT. This range is smaller than half the FFT length N/2 = 2048, so that a decimation by a factor of 2 can be carried out before the FFT. In the simplest case, this can be done - as in block 10.9 of 10 shown - by adding two consecutive values of the total N values. The N/2 sum values then form the input values of the FFT, which is preceded by block 10.3 for adding correction values c 2 (n). Due to the halved length N/2 = 2048, the FFT has one stage less, i.e. only 11 stages (see FFT block 10.4 in calculation structure according to 10 ). The frequency k at the output of the FFT only extends over the range k = 0,..., N/2-1. The following blocks 10.5-10.7 for calculating magnitude, sum and maximum also only have half the dimension N/2 = 2048.

Wie oben erläutert, sind mit der Berechnungsstruktur etwa 160.000 Pixel abzudecken; pro Pixel sind nach bisheriger Betrachtung M = 500 Verschiebungen m zwischen Empfangsfolge und Modulationsfolge durchzurechnen, was M = 500 Takte benötigt. Bei einem maximal realisierbaren Takt der Rechenlogik von etwa 1GHz ist dann nur ein Erfassungszyklus von etwa 100ms möglich (dabei ist noch ein gewisser Overhead z. B. für Laden von Daten und Rekonfigurieren des Systems berücksichtigt). Tatsächlich wird aber häufig eine Zykluszeit von 50ms gefordert, was dann eine doppelte Realisierung der Berechnungsstruktur erfordern würde. Um dies zu vermeiden, kann die Modulationszeit Tm effektiv verdoppelt werden, um nur noch halb so viele Verschiebungen pro Pixel durchrechnen zu müssen; man kann diese effektive Verdoppelung auch dadurch definieren, dass bei unverändertem Tm = 3.33ns jeweils zwei aufeinanderfolgende Werte der Modulationsfolge b(n) gleich sind: b ( n + 1 ) = b ( n ) mit n = 0,2,4, , N 2 ,

Figure DE102023201147A1_0044
womit dann Abtastzeit Ts und Modulationszeit Tm weiterhin gleich sind, und damit auch weiterhin die Empfangsfolge e(n) und die Modulationsfolge b(n) sich auf die gleiche diskrete Zeit n beziehen. Einziger Unterschied in den obigen Betrachtungen und Beziehungen ist, das für die Verschiebungen m nun nur jeder zweite Wert, also nur geradzahlige Werte m = 0,2,4,...,M-2 zu betrachten sind. Die den Berechnungsstrukturen zugrundeliegende Darstellung der zweidimensionalen Korrelation Em,k, bei welcher statt der Modulationsfolge die Empfangsfolge verschoben wird, lautet dann analog zu Bez. (17) unter Verwendung der obigen Bez. (30) sowie unter Berücksichtigung der Dezimation: E m , k = FFT k _ ( s ( n ) exp ( + j ^ 2 π n / N [ m T s B k _ offset ] ) ) mit s ( n ) = e ( mod N ( n + m ) ) b ( n ) + e ( mod N ( n + 1 + m ) ) b ( n + 1 ) , n = 0,2,4, , N 2   ,  m = 0,2,4, , M 2   ,   k _ _ = 0, , N / 2 1
Figure DE102023201147A1_0045
As explained above, the calculation structure can cover around 160,000 pixels; according to previous considerations, M = 500 shifts m between the reception sequence and the modulation sequence must be calculated per pixel, which requires M = 500 clock cycles. With a maximum realizable clock rate of the calculation logic of around 1GHz, only a detection cycle of around 100ms is possible (a certain overhead is still taken into account, e.g. for loading data and reconfiguring the system). In reality, however, a cycle time of 50ms is often required, which would then require the calculation structure to be implemented twice. To avoid this, the modulation time T m can be effectively doubled in order to only have to calculate half as many shifts per pixel; this effective doubling can also be defined by the fact that, with T m = 3.33ns unchanged, two consecutive values of the modulation sequence b(n) are equal: b ( n + 1 ) = b ( n ) with n = 0,2,4, , N 2 ,
Figure DE102023201147A1_0044
whereby the sampling time T s and the modulation time T m are still the same, and thus the reception sequence e(n) and the modulation sequence b(n) continue to refer to the same discrete time n. The only difference in the above considerations and relationships is that for the shifts m now only every second value, i.e. only even-numbered values m = 0,2,4,...,M-2, are to be considered. The representation of the two-dimensional correlation E m,k underlying the calculation structures, in which the reception sequence is shifted instead of the modulation sequence, is then analogous to equation (17) using the above equation (30) and taking decimation into account: E m , k = FFT k _ ( s ( n ) ex ( + j ^ 2 π n / N [ m T s B k _ offset ] ) ) with s ( n ) = e ( mod N ( n + m ) ) b ( n ) + e ( mod N ( n + 1 + m ) ) b ( n + 1 ) , n = 0,2,4, , N 2 , m = 0,2,4, , M 2 , k _ _ = 0, , N / 2 1
Figure DE102023201147A1_0045

Die Produktbildung zwischen zyklisch verschobener Empfangsfolge e(modN(n+m)) und Modulationsfolge b(n) nach Bez. (33) ist im Block 10.2 dargestellt; die vorgeschalte Addition der Korrekturwerte c1(n) nach Block 10.1 bleibt zur ursprünglichen Struktur nach 8 unverändert.The product formation between cyclically shifted reception sequence e(mod N (n+m)) and modulation sequence b(n) according to (33) is shown in block 10.2; the preceding addition of the correction values c 1 (n) according to block 10.1 remains the same as the original structure according to 8 unchanged.

Da die Struktur nach 10 pro Pixel nur M/2 = 250 mal, also halb so oft wie die ursprüngliche Struktur nach 8 durchzutakten ist, wird die halbe Zykluszeit von 50ms ermöglicht; darüber hinaus ist der Realisierungsaufwand nur etwa halb so groß, da für die wesentlichen Blöcke die Datendimension halbiert ist.Since the structure according to 10 per pixel only M/2 = 250 times, i.e. half as often as the original structure after 8 to be clocked through, half the cycle time of 50ms is possible; in addition, the implementation effort is only about half as large, since the data dimension is halved for the essential blocks.

Für die Dezimation ist bisher die einfachste Realisierung durch Addition zweier aufeinanderfolgenden Werte betrachtet. Der dadurch realisierte Tiefpass erster Ordnung (also Länge 2) hat einen großen Übergangsbereich mit wenig steiler Flanke; das führt zum einen dazu, dass sich der Pegel im relevanten Frequenzbereich k = -881,...,+881 signifikant ändert (um 2.15dB zwischen k = 0 und k = ±881), und zum anderen zu einem Sensitivitätsverlust nach Dezimation durch sich von höheren Frequenzen hereinfaltendes Rauschen (bis zu 2.15dB bei k = ±881). Durch einen Tiefpass höherer Ordnung kann sein Übergangsbereich schärfer ausgestaltet werden; bei einem Tiefpass dritter Ordnung mit den vier Koeffizienten [0.5, 1, 1, -0.5] beträgt die Pegeldifferenz nur noch 0.91dB und der maximale Sensitivitätsverlust 1.88dB. Dieser Tiefpass dritter Ordnung benötigt drei Additionen, aber weiterhin keine Multiplikationen, da die Koeffizienten mit dem Betrag 0.5 über Rechtschieben um ein Bit, also mit reiner Verdrahtung realisiert werden können (für das negative Vorzeichen des Koeffizienten -0.5 kann wieder vereinfachend eine bitweise Invertierung benutzt werden). Mit Tiefpässen höherer Ordnung und Koeffizienten, die nicht in einem Zweierpotenzraster liegen (also schon ihrerseits eine oder mehrere Additionen benötigen), kann man noch deutlich schärfere Flanken realisieren. Es sei noch bemerkt, dass grundsätzlich auch Frequenzen k oberhalb ±881 betrachtet und ermittelt werden können (und somit Relativgeschwindigkeiten außerhalb des zugehörigen Bereichs -80km/h,...,+280km/h); allerdings steigen dann Pegel- und Sensitivitätsverluste und oberhalb von k = ±1024 kommt es zu Mehrdeutigkeiten (da sich Frequenzen in den Bereich unterhalb ±1024 spiegeln).The simplest implementation of decimation so far has been considered by adding two consecutive values. The first-order low-pass filter thus created (i.e. length 2) has a large transition area with a relatively low slope; this leads on the one hand to a significant change in the level in the relevant frequency range k = -881,...,+881 (by 2.15dB between k = 0 and k = ±881), and on the other hand to a loss of sensitivity after decimation due to noise folding in from higher frequencies (up to 2.15dB at k = ±881). A higher-order low-pass filter can make its transition area sharper; with a third-order low-pass filter with the four coefficients [0.5, 1, 1, -0.5] the level difference is only 0.91dB and the maximum loss of sensitivity is 1.88dB. This third-order low-pass filter requires three additions, but still no multiplications, since the coefficients with the value 0.5 can be realized by shifting them to the right by one bit, i.e. with pure wiring (for the negative sign of the coefficient -0.5, a bit-wise inversion can again be used to simplify things). With high-order low-pass filters and coefficients that are not in a power-of-two grid (i.e. that require one or more additions themselves), even sharper edges can be achieved. It should also be noted that frequencies k above ±881 can also be considered and determined (and thus relative speeds outside the corresponding range -80km/h,...,+280km/h); however, level and sensitivity losses then increase and above k = ±1024 ambiguities arise (since frequencies are reflected in the range below ±1024).

Nun wird noch die Realisierung der Multiplikationen mit den in Bez. (33) beschriebenen Drehfaktoren dn,m erläutert, also Einheitszeigern mit Phasen aus dem vollen Winkelbereich 0...2π. Die Phasen der Drehfaktoren brauchen nicht beliebig genau realisiert zu werden, sondern es kann aus einem limitierten Satz an Phasen diejenige verwendet werden, welche zur realen Phase von dn,m am nächsten liegt. Der einfachste Ansatz wäre, dass nur die die vier Phasen 0, π/2, π und 3π/2, also die Drehfaktoren 1, ĵ, -1 und -ĵ realisiert werden, was keine Multiplikation benötigt; allerdings sind dann die entstehenden Effekte nicht vernachlässigbar, also der effektive Verlust an Sensitivität sowie am Ausgang der FFT generiertes Rauschen oder Pseudo-Betragsspitzen. Deshalb wird im Folgenden der Ansatz mit den 8 Phasenwerten 0, π/4, ..., 7π/4 betrachtet, d. h. die realisierten Drehfaktoren sind d _ n , m = exp ( + j ^ π / 4 mod 8 ( round ( 8 n / N [ m T s B k _ offset ] ) ) ) .

Figure DE102023201147A1_0046
Now the implementation of the multiplications with the rotation factors d n,m described in reference (33) is explained, i.e. unit vectors with phases from the full angle range 0...2π. The phases of the rotation factors do not need to be implemented with arbitrary precision, but the phase that is closest to the real phase of d n,m can be used from a limited set of phases. The simplest approach would be to implement only the four phases 0, π/2, π and 3π/2, i.e. the rotation factors 1, ĵ, -1 and -ĵ, which does not require multiplication; however, the resulting effects are then not negligible, i.e. the effective loss of sensitivity as well as noise or pseudo-magnitude peaks generated at the output of the FFT. Therefore, the approach with the 8 phase values 0, π/4, ..., 7π/4 is considered below, i.e. the realized rotation factors are d _ n , m = ex ( + j ^ π / 4 mod 8 ( round ( 8 n / N [ m T s B k _ offset ] ) ) ) .
Figure DE102023201147A1_0046

Somit kommen zu den einfachen Drehfaktoren ±1 und ±j noch die Drehfaktoren (±1±ĵ)/√2 dazu. Der Faktor 1/√2 = 0.707 kann näherungsweise durch 1-2-2 = 0.75 realisiert werden, also effektiv durch eine Addition (neben dem Invertieren und Rechtsschieben um 2 Bits, welche einfach bzw. ohne Aufwand implementiert werden können).Thus, in addition to the simple rotation factors ±1 and ±j, there are also rotation factors (±1±ĵ)/√2. The factor 1/√2 = 0.707 can be approximately realized by 1-2 -2 = 0.75, i.e. effectively by an addition (in addition to inverting and shifting to the right by 2 bits, which can be implemented easily or without effort).

Da sich die Drehfaktoren dn,m über die Verschiebung m, also beim Durchtakten der Rechenlogik ändern, braucht man für ihre Realisierung eine programmierbare Struktur, welche beispielhaft im Block 11.2 der 11 für ein n dargestellt ist (insgesamt gibt es diese Struktur N = 4096 Mal). Aus einem komplexen Eingangswert mit Realteil iRe(n,m) und Imaginärteil ilm(n,m) wird durch Multiplikation mit einem Drehfaktor dn,m der komplexe Ausgangswert mit Realteil oRe(n,m) und Imaginärteil olm(n,m) gebildet; abhängig davon, welcher der 8 Drehfaktoren d _ p = 0, ,7 = 1,   0.75 ( + 1 + j ^ ) ,   j ^ ,   0.75 ( 1 + j ^ ) ,   1,   0.75 ( 1 j ^ ) ,   j ^ ,   0.75 ( + 1 j ^ )

Figure DE102023201147A1_0047
zu verwenden ist, werden die 6 Umschalter (zwischen dem Wert 0 oder dem jeweiligen Eingangswert) und die 4 schaltbaren Bitinvertierer aus der Logik 11.21 angesteuert. In dieser Logik werden die 10 benötigten binären Schaltsignale aus dem jeweiligen am Eingang liegenden diskreten Phasenwert pn,m = 0,...,7, also aus 3 Bit, berechnet. Der jeweilige Wert pn,m, also gemäß Bez. (34): p n , m = mod 8 ( round ( 8 n / N [ m T s B k _ offset ] ) )  mit m = 0,2,4 , M 2,
Figure DE102023201147A1_0048
wird im Block 11.1 mit Hilfe eines Integrators (also einer rekursiven Struktur erster Ordnung) bestimmt; der bzgl. der Verschiebung m lineare Anteil (welcher sich also beim Durchtakten der Berechnungsstruktur sukzessive erhöht) wird durch rekursives Aufaddieren des Wertes im Registers R2 realisiert, der konstante Anteil (zu -koffset) durch initiales Laden des Integrator-Registers RI aus dem Register R1. Die beiden Werte round(-214·n/N·koffset) und round(214·2·n/N·TB) der Register R1 und R2 sind gegenüber denen in Bez. (36) um den Faktor 211 skaliert, also effektiv wird mit 11 Nachkommastellen gerechnet, um insbesondere bei der sukzessiven Integration des Wertes von Register 11.12 eine genügende Genauigkeit zu erzielen (dieser Wert wird ja M/2 = 250 mal aufintegriert, d. h. dass sich der initiale Rundungsfehler dieses Registerwertes um den Faktor 250 verstärkt; und es sei bemerkt, dass wegen der Verwendung von nur geradzahligen Werten von m noch der zusätzliche Faktor 2 in round(214·2·n/N·Ts·B) nötig ist). Da der Integrator mit 14 Bit in Zweierkomplementarithmetik realisiert ist und somit Überlauf über einen effektiven Wert 8 ignoriert, führt er inhärent die Modulo-Bildung nach Bez. (36) aus. Das Quantisieren auf den Bereich pn,m = 0,...,7 wird durch Verwendung der oberen 3 Bits, also der 3 MSBs realisiert; tatsächlich wird dadurch aber nicht das Runden nach Bez. (36), sondern ein Abschneiden implementiert, was sich vom Runden im Mittel um 0.5 unterscheidet - da dieser mittlere Fehler über alle N Drehfaktoren (n = 0,...,N-1) gemacht wird, bedeutet er nur eine konstante Phasenverschiebung, was aus funktionaler Sicht nicht relevant ist (eine konstante Phasenverschiebung der Eingangsdaten der FFT bewirkt nur eine konstante Phasenverschiebung der FFT-Ausgangsdaten, womit sich deren Betrag, also deren einzig relevante Größe nicht ändert).Since the rotation factors d n,m change over the shift m, i.e. when the calculation logic is clocked, a programmable structure is required for their implementation, which is shown for example in block 11.2 of the 11 for an n (in total, this structure exists N = 4096 times). From a complex input value with real part i Re (n,m) and imaginary part i lm (n,m), the complex output value with real part o Re (n,m) and imaginary part o lm (n,m) is formed by multiplying with a rotation factor d n,m ; depending on which of the 8 rotation factors d _ p = 0, ,7 = 1, 0.75 ( + 1 + j ^ ) , j ^ , 0.75 ( 1 + j ^ ) , 1, 0.75 ( 1 j ^ ) , j ^ , 0.75 ( + 1 j ^ )
Figure DE102023201147A1_0047
is to be used, the 6 switches (between the value 0 or the respective input value) and the 4 switchable bit inverters are controlled from the logic 11.21. In this logic, the 10 required binary switching signals are calculated from the respective discrete phase value p n,m = 0,...,7 at the input, i.e. from 3 bits. The respective value p n,m , i.e. according to reference (34): p n , m = mod 8 ( round ( 8 n / N [ m T s B k _ offset ] ) ) with m = 0,2,4 , M 2,
Figure DE102023201147A1_0048
is determined in block 11.1 using an integrator (i.e. a first-order recursive structure); the linear part with respect to the shift m (which therefore increases successively as the calculation structure is clocked through) is realized by recursively adding the value in register R2, the constant part (to -k offset ) by initially loading the integrator register RI from register R1. The two values round(-2 14 ·n/N·k offset ) and round(2 14 ·2·n/N·T B) of the registers R1 and R2 are scaled by a factor of 2 11 compared to those in (36), so effectively 11 decimal places are used for the calculation in order to achieve sufficient accuracy, particularly in the successive integration of the value of register 11.12 (this value is integrated M/2 = 250 times, i.e. the initial rounding error of this register value is increased by a factor of 250; and it should be noted that because only even values of m are used, the additional factor 2 in round(2 14 ·2·n/N·T s ·B) is necessary). Since the integrator is implemented with 14 bits in two's complement arithmetic and thus ignores overflow over an effective value of 8, it inherently carries out the modulo formation according to (36). Quantization to the range p n,m = 0,...,7 is implemented by using the upper 3 bits, i.e. the 3 MSBs; in fact, however, this does not implement rounding according to (36), but rather truncation, which differs from rounding on average by 0.5 - since this average error is made over all N rotation factors (n = 0,...,N-1), it only means a constant phase shift, which is not relevant from a functional point of view (a constant phase shift of the FFT input data only causes a constant phase shift of the FFT output data, which means that their absolute value, i.e. their only relevant size, does not change).

Die Realisierung der Multiplikation mit den Drehfaktoren dn,m nach 11 benötigt somit nur geringen Aufwand. Mit etwas mehr Aufwand könnte alternativ auch ein normaler komplexwertiger Multiplizier (bestehend aus 4 reellwertigen Multiplizierern) für programmierbare Faktoren der Länge 3 Bit (also für Werte -1, -0.75, ..., 0.5, 0.75) verwendet werden; wegen dem nicht realisierbaren Wert +1 kann dabei eine Skalierung der Drehfaktoren z. B. mit Faktor 0.875 vorteilhaft sein. Die für die vier reellwertigen Multiplizierer jeweils anzuwendenden Faktoren können analog zu 11 mit Hilfe einer Logik aus dem jeweiligen Wert pn,m abgeleitet werden, wobei dieser auch länger als 3 Bit sein kann (da mit einem solchen Multiplizierer mehr als 8 unterschiedliche Drehfaktoren realisiert werden können).The realization of the multiplication with the rotation factors d n,m according to 11 requires only a small amount of effort. With a little more effort, a normal complex-valued multiplier (best based on 4 real-valued multipliers) for programmable factors of length 3 bits (i.e. for values -1, -0.75, ..., 0.5, 0.75); because the value +1 cannot be realized, scaling the rotation factors, e.g. with a factor of 0.875, can be advantageous. The factors to be used for the four real-valued multipliers can be determined analogously to 11 can be derived from the respective value p n,m using logic, whereby this can also be longer than 3 bits (since more than 8 different rotation factors can be realized with such a multiplier).

Kompensieren eines nichtlinearen FrequenzverlaufsCompensating a non-linear frequency response

Bisher wurde für die Sendefrequenz fTX(t) ein ideal linearer Verlauf angenommen: f TX ( t ) = f TX0 + t B / T pm mit T pm = N T m .

Figure DE102023201147A1_0049
So far, an ideally linear curve has been assumed for the transmission frequency f TX (t): e TX ( t ) = e TX0 + t B / T pm with T pm = N T m .
Figure DE102023201147A1_0049

Real wird die Modulation aber nicht perfekt sein; häufig weist sie - wie in 12 veranschaulicht - einen quadratischen Fehler f TX , Q ( t ) = Q ( t T pm / 2 ) 2

Figure DE102023201147A1_0050
auf und für die die Sendefrequenz ergibt sich: f TX ( t ) = f TX0 + t B / T pm + Q ( t T pm / 2 ) 2 .
Figure DE102023201147A1_0051
In reality, however, the modulation will not be perfect; often it has - as in 12 illustrated - a square error e TX , Q ( t ) = Q ( t T pm / 2 ) 2
Figure DE102023201147A1_0050
and for which the transmission frequency is: e TX ( t ) = e TX0 + t B / T pm + Q ( t T pm / 2 ) 2 .
Figure DE102023201147A1_0051

Ohne Dopplerverschiebung entspricht die Empfangsfrequenz fRX(t) der um die Laufzeit t0 verschobenen Sendefrequenz fTX(t-t0); für die laufzeitbedingte Frequenzverschiebung fr(t) zwischen Empfangs- und Sendefrequenz ergibt sich dann: f r ( t ) = f RX ( t ) T TX ( t ) = t TX ( t t 0 ) f TX ( t ) = = f TX0 + ( t t 0 ) B / T pm + Q ( t t 0 T pm / 2 ) 2 [ f TX0 + t B / T pm + Q ( t T pm / 2 ) 2 ] = t 0 B / T pm Q 2 ( t T pm / 2 ) t 0 + Q t 0 2 ;

Figure DE102023201147A1_0052
die beiden hinteren Terme beschreiben den Fehler f r , Q ( t ) = f TX , Q ( t t 0 ) f TX , Q ( t )
Figure DE102023201147A1_0053
der laufzeitbedingten Frequenzverschiebung (welche in der Frequenzverschiebung nach Bez. (11a) für ideale Linearität nicht enthalten sind): f r , Q ( t ) = Q 2 ( t T pm / 2 ) t 0 + Q t 0 2 .
Figure DE102023201147A1_0054
Without Doppler shift, the reception frequency f RX (t) corresponds to the transmission frequency f TX (tt 0 ) shifted by the transit time t 0 ; the transit time-related frequency shift f r (t) between the reception and transmission frequencies is then: e r ( t ) = e RX ( t ) T TX ( t ) = t TX ( t t 0 ) e TX ( t ) = = e TX0 + ( t t 0 ) B / T pm + Q ( t t 0 T pm / 2 ) 2 [ e TX0 + t B / T pm + Q ( t T pm / 2 ) 2 ] = t 0 B / T pm Q 2 ( t T pm / 2 ) t 0 + Q t 0 2 ;
Figure DE102023201147A1_0052
the two last terms describe the error e r , Q ( t ) = e TX , Q ( t t 0 ) e TX , Q ( t )
Figure DE102023201147A1_0053
the time-dependent frequency shift (which is not included in the frequency shift according to (11a) for ideal linearity): e r , Q ( t ) = Q 2 ( t T pm / 2 ) t 0 + Q t 0 2 .
Figure DE102023201147A1_0054

Dieser Fehler überträgt sich nach Mischung und Digitalisierung direkt auf die Empfangsfolge e(n), also in den Fehler k0,Q der diskreten Empfangsfrequenz und analog zu Bez. (13a) ergibt sich dafür: k 0, Q = N T s f r , Q ( t ) = N T s ( Q 2 t t 0 + Q T pm t 0 + Q t 0 2 ) ,

Figure DE102023201147A1_0055
und mit t = n·Ts (mit n = 0,...,N-1), t0 = m0·Tm (siehe auch Bez. (3b)) und Tpm = N·Tm: k 0, Q ( n ) = Q N 2 T m 2 T s m 0 + Q N T m 2 m 0 2 Q 2 N T m T s 2 m 0 n mit n = 0, , N 1.
Figure DE102023201147A1_0056
After mixing and digitization, this error is transferred directly to the reception sequence e(n), i.e. to the error k 0,Q of the discrete reception frequency and analogous to (13a) this results in: k 0, Q = N T s e r , Q ( t ) = N T s ( Q 2 t t 0 + Q T pm t 0 + Q t 0 2 ) ,
Figure DE102023201147A1_0055
and with t = n·Ts (with n = 0, ... ,N-1), t 0 = m 0 ·T m (see also equation (3b)) and T pm = N·T m : k 0, Q ( n ) = Q N 2 T m 2 T s m 0 + Q N T m 2 m 0 2 Q 2 N T m T s 2 m 0 n with n = 0, , N 1.
Figure DE102023201147A1_0056

Über die N Werte der Empfangsfolge e(n) sind die ersten beiden Terme konstant, d. h. sie stellen einen konstanten Frequenzfehler dar und verschieben in der zweidimensionalen Korrelation Em,k nur die Position der Betragsspitze in der Frequenzdimension k; dagegen ändert sich der letzte Term linear über die diskrete Zeit n, d. h. während der Empfangsfolge ändert sich die Frequenz, was in der zweidimensionalen Korrelation Em,k zu einer verbreiterten Betragsspitze in der Frequenzdimension k führt - die Breite ist etwa Q·2·N2·Ts 2·Tm·m0. Verschiebung und Verbreiterung der Betragsspitze nehmen mit der diskreten Laufzeit m0, also mit der Objektentfernung zu. Während der Effekt der Verschiebung einfach bei der Umrechnung von Frequenz k0 in Relativgeschwindigkeit berücksichtigt werden kann, führt die Verbreiterung zu einem Sensitivitätsverlust (die Höhe der Betragsspitze wird reduziert), zu einer ungenaueren Bestimmung der Position der Betragsspitze und damit der Relativgeschwindigkeit sowie zu einer schlechteren Separierung von zwei Objekten mit ähnlicher Relativgeschwindigkeit in selber Entfernung.Over the N values of the reception sequence e(n), the first two terms are constant, i.e. they represent a constant frequency error and in the two-dimensional correlation E m,k only shift the position of the magnitude peak in the frequency dimension k; in contrast, the last term changes linearly over the discrete time n, i.e. the frequency changes during the reception sequence, which leads to a broadened magnitude peak in the frequency dimension k in the two-dimensional correlation E m,k - the width is approximately Q·2·N 2 ·T s 2 ·T m ·m 0 . Shifting and broadening of the magnitude peak decrease with the discrete running time m 0 , i.e. increases with the object distance. While the effect of the shift can easily be taken into account when converting frequency k 0 into relative speed, the broadening leads to a loss of sensitivity (the height of the magnitude peak is reduced), to a less precise determination of the position of the magnitude peak and thus of the relative speed, and to a poorer separation of two objects with similar relative speed at the same distance.

Im Folgenden wird erläutert, wie diese Verbreiterung der Betragsspitze vermieden werden kann. Aus dem Frequenzfehler fr,Q(t) nach Bez. (39) resultiert der Phasenfehler φ r , Q ( t ) = 2 π f ˙ r , Q ( t ) = 2 π ( f ˙ TX , Q ( t t 0 ) f ˙ TX , Q ( t ) ) = 2 π Q t 0 t 2 + 2 π Q T pm t 0 t + 2 π Q t 0 2 t;

Figure DE102023201147A1_0057
bei dieser Aufleitung ist die Integrationskonstante weggelassen, weil ein konstanter Phasenanteil funktional nicht relevant ist. In Darstellung für die diskrete Zeit n ergibt sich mit t = n·Ts, t0 = m0·Tm und Tpm = N·Tm: φ r , Q ( n ) = 2 π Q T m T s 2 m 0 n 2 + 2 π Q N T m 2 T s m 0 n + 2 π Q T m 2 T s m 0 2 n mit n = 0, , N 1.
Figure DE102023201147A1_0058
In the following, it is explained how this broadening of the magnitude peak can be avoided. The phase error results from the frequency error f r,Q (t) according to (39). φ r , Q ( t ) = 2 π e ˙ r , Q ( t ) = 2 π ( e ˙ TX , Q ( t t 0 ) e ˙ TX , Q ( t ) ) = 2 π Q t 0 t 2 + 2 π Q T pm t 0 t + 2 π Q t 0 2 t;
Figure DE102023201147A1_0057
In this derivation, the integration constant is omitted because a constant phase component is not functionally relevant. In representation for the discrete time n, with t = n·Ts, t 0 = m 0 ·T m and T pm = N·T m , we get: φ r , Q ( n ) = 2 π Q T m T s 2 m 0 n 2 + 2 π Q N T m 2 T s m 0 n + 2 π Q T m 2 T s m 0 2 n with n = 0, , N 1.
Figure DE102023201147A1_0058

Dieser Phasenfehler für ein Objekt mit der diskreten Laufzeit m0 kann dadurch korrigiert werden, dass bei der Berechnung der zweidimensionalen Korrelation Em,k für jede Verschiebung m das Negative des obigen Phasenfehlers dadurch addiert wird, dass vor der FFT eine Multiplikation der Produktfolge e(n)·b(n-m) mit dem Drehfaktor d n , m , Q = exp ( j ^ φ r , Q ( n ) ) = exp ( j ^ 2 π [ Q T m T s 2 m n 2 Q N T m 2 T s m n Q T m 2 T s m 2 n ] ) mit n = 0, , N 1  und m = 0, , M 1

Figure DE102023201147A1_0059
stattfindet (es sei bemerkt, dass bei einem Ansatz wie in 10 für m nur die Untermenge der geradzahlige Werte zu benutzen ist). Die Realisierung dieser Drehfaktoren kann mit der Realisierung den obigen Drehfaktoren dn,m nach Bez. (27) oder (31) zur Kompensierung der laufzeitabhängigen Frequenzverschiebung und eines gegebenenfalls unsymmetrischen Dopplerfrequenzbereichs kombiniert werden - es sind dann Drehfaktoren mit der Summe der Phasen der beiden einzelnen Drehfaktoren zu implementieren. Die ersten beiden Phasenanteile in dn,m,Q nach Bez. (43) sind linear in der Verschiebung m, so dass sie bei einer Realisierung der Drehfaktoren analog zu 11 als zusätzlicher Teil des Registers R2, welches Eingang des Integrators ist, implementierbar sind: R2 = round ( 2 14 2 [ n / N T s B + Q T m T s 2 m n 2 Q N T m 2 T s m n ] ) ;
Figure DE102023201147A1_0060
der zusätzliche Teil sind die beiden hinteren Anteile proportional zur Stärke Q des quadratischen Frequenzfehlers. Der hintere, zur Verschiebung m quadratische Anteil in Bez. (44) ist häufig vernachlässigbar, da er wegen M << N deutlich kleiner als die anderen Anteile ist; falls er aber doch realisiert werden soll, benötigt er einen Integrator zweiter Ordnung - es gibt also dann eine drittes Register, das in einem vorgeschalteten Integrator aufintegriert wird, und der Ausgang dieses Integrators geht dann als weiterer Eingang in den Integrator nach 11.This phase error for an object with the discrete transit time m 0 can be corrected by adding the negative of the above phase error for each displacement m when calculating the two-dimensional correlation E m,k by multiplying the product sequence e(n)·b(nm) by the rotation factor before the FFT. d n , m , Q = ex ( j ^ φ r , Q ( n ) ) = ex ( j ^ 2 π [ Q T m T s 2 m n 2 Q N T m 2 T s m n Q T m 2 T s m 2 n ] ) with n = 0, , N 1 and m = 0, , M 1
Figure DE102023201147A1_0059
takes place (it should be noted that with an approach such as in 10 for m only the subset of even-numbered values is to be used). The realization of these rotation factors can be combined with the realization of the above rotation factors d n,m according to ref. (27) or (31) to compensate for the runtime-dependent frequency shift and a possibly asymmetrical Doppler frequency range - rotation factors with the sum of the phases of the two individual rotation factors are then to be implemented. The first two phase components in d n,m,Q according to ref. (43) are linear in the shift m, so that when the rotation factors are realized analogously to 11 can be implemented as an additional part of the register R2, which is the input of the integrator: R2 = round ( 2 14 2 [ n / N T s B + Q T m T s 2 m n 2 Q N T m 2 T s m n ] ) ;
Figure DE102023201147A1_0060
the additional part are the two rear parts proportional to the strength Q of the squared frequency error. The rear part, which is squared to the shift m in reference (44), is often negligible, since it is significantly smaller than the other parts due to M <<N; if it is to be implemented, however, it requires a second order integrator - so there is then a third register that is integrated in an upstream integrator, and the output of this integrator then goes as a further input to the integrator after 11 .

Die Korrektur des Frequenzfehlers kann statt vor der FFT auch grundsätzlich nach ihr stattfinden; die Multiplikation mit den Drehfaktoren dn,m,Q , n=0,...,N-1 vor der FTT entspricht einer Faltung des Spektrums (also der DFT bzw. FFT) dieser Drehfaktorenfolge. Im Fall des betrachteten quadratischen Frequenzfehlers hat dieses Spektrum eine breite Betragsspitze um Null herum (Breite der Betragsspitze nimmt mit Verschiebung m zu); damit kann die Faltung auf die Summation über wenige Werte, gewichtet mit komplexen Faktoren, beschränkt werden - trotzdem wäre eine solche Realisierung deutlich aufwändiger als der oben vorgestellte Ansatz mit Korrektur vor FFT, auch weil diese Gewichtungsfaktoren von der Verschiebung m abhängig sind.The correction of the frequency error can in principle take place after the FFT instead of before it; the multiplication with the rotation factors d n,m,Q , n=0,...,N-1 before the FTT corresponds to a convolution of the spectrum (i.e. the DFT or FFT) of this rotation factor sequence. In the case of the quadratic frequency error considered, this spectrum has a broad magnitude peak around zero (the width of the magnitude peak increases with shift m); this means that the convolution can be restricted to the summation over a few values, weighted with complex factors - nevertheless, such an implementation would be significantly more complex than the approach presented above with correction before FFT, also because these weighting factors depend on the shift m.

Bisher wurde ein quadratischer Fehler der Sendefrequenz nach Bez. (37) betrachtet. Die obigen Überlegungen lassen sich auch auf allgemeine Fehler fTX,Q(t) der Sendefrequenz, also allgemeine Abweichungen von einem linearen Verlauf, übertragen. Die Drehfaktoren, mit welchen die Produktfolge e(n)·b(n-m) zur Korrektur des Sendefrequenzfehlers zu multiplizieren ist, lauten in allgemeiner Form unter Verwendung von Bez. (41a) sowie t = n·Ts und t0 = mTm: d n , m , Q = exp ( j ^ φ r , Q ( t ) ) = exp ( j ^ 2 π f ˙ r , Q ( t ) ) = exp ( j ^ 2 π [ f ˙ TX , Q ( t t 0 ) f ˙ TX , Q ( t ) ] ) . = exp ( j ^ 2 π [ f ˙ TX , Q ( n T s m 0 T m ) f ˙ TX , Q ( n T s ) ] ) .

Figure DE102023201147A1_0061
So far, a squared error of the transmission frequency according to (37) has been considered. The above considerations can also be applied to general errors f TX,Q (t) of the transmission frequency, i.e. general deviation The rotation factors by which the product sequence e(n)·b(nm) is to be multiplied to correct the transmission frequency error are in general form using equation (41a) and t = n·T s and t 0 = m T m : d n , m , Q = ex ( j ^ φ r , Q ( t ) ) = ex ( j ^ 2 π e ˙ r , Q ( t ) ) = ex ( j ^ 2 π [ e ˙ TX , Q ( t t 0 ) e ˙ TX , Q ( t ) ] ) . = ex ( j ^ 2 π [ e ˙ TX , Q ( n T s m 0 T m ) e ˙ TX , Q ( n T s ) ] ) .
Figure DE102023201147A1_0061

Diese Drehfaktoren können wieder mit den Drehfaktoren dn,m nach Bez. (31) zur Kompensierung der laufzeitabhängigen Frequenzverschiebung und eines unsymmetrischen Dopplerfrequenzbereichs kombiniert werden. Für eine Realisierung analog zu 11 lauten dann die diskreten Phasenwerte pn,m mit Wertebereich 0,1,...,7 (also Länge 3 Bit) in Erweiterung der Bez. (36), welche sich auf eine ideal lineare Frequenzmodulation bezogen hat: p n , m = mod 8 ( round ( 8 n / N [ m T s B k _ offset ] 8 ( f ˙ TX , Q ( n T s m 0 T m ) f ˙ TX , Q ( n T s ) ) ) ) .

Figure DE102023201147A1_0062
These rotation factors can be combined with the rotation factors d n,m according to (31) to compensate for the time-dependent frequency shift and an asymmetrical Doppler frequency range. For a realization analogous to 11 The discrete phase values p n,m with value range 0,1,...,7 (i.e. length 3 bits) are then in extension of the relation (36), which referred to an ideal linear frequency modulation: p n , m = mod 8 ( round ( 8 n / N [ m T s B k _ offset ] 8 ( e ˙ TX , Q ( n T s m 0 T m ) e ˙ TX , Q ( n T s ) ) ) ) .
Figure DE102023201147A1_0062

Der Block 11.1 in 11 zu Generierung dieser diskreten Phasenwerte kann durch ein Register, in das der jeweilige vorberechnete Phasenwert geschrieben wird, ersetzt werden. Statt einem Register nur für einen 3 Bit langen Phasenwert kann auch ein langes Register benutzt werden, in das die diskreten Phasenwerte über alle m, also im oben betrachteten Beispiel M/2 = 250 Werte der Länge 3 Bit geschrieben werden, wobei dieses Register über m dann durchgetaktet, also durchgeschoben wird; dies hat den Vorteil, dass während der Berechnung eines Pixels kein Schreibvorgang durchgeführt werden muss und dass bei über mehrere Pixel gleichen Sendefrequenzfehlern nur einmal geschrieben werden muss (dann ist ein zyklisches Durchschieben zu verwenden). Dieser Ansatz mit vorberechneten Registerwerten kann auch mit einem Ansatz nach 11 mit einer Integratorschaltung kombiniert werden, so dass dann in diesen Registern nur der nicht mit einer Integratorschaltung realisierbare Anteil stehen muss und das gegebenenfalls dazu führt, dass ein Register für die Generierung von mehreren Phasenwerten pn,m, also für unterschiedliche n und/oder m genutzt werden kann, was die Zahl der benötigten Register und den Vorberechnungsaufwand (auch einem Microcontroller) reduziert.Block 11.1 in 11 to generate these discrete phase values can be replaced by a register into which the respective pre-calculated phase value is written. Instead of a register for just one 3-bit long phase value, a long register can also be used into which the discrete phase values are written across all m, i.e. in the example considered above, M/2 = 250 values of length 3 bits, whereby this register is then clocked through, i.e. shifted through, m; this has the advantage that no writing process has to be carried out during the calculation of a pixel and that if the transmission frequency errors are the same across several pixels, writing only has to be done once (in this case, cyclic shifting must be used). This approach with pre-calculated register values can also be combined with an approach according to 11 be combined with an integrator circuit, so that only the part that cannot be realized with an integrator circuit has to be in these registers and this may lead to the fact that one register can be used for the generation of several phase values p n,m , i.e. for different n and/or m, which reduces the number of registers required and the pre-calculation effort (also for a microcontroller).

Um einen nichtlinearen Frequenzverlauf kompensieren zu können, muss man die Fehler, also Abweichungen vom linearen Verlauf kennen. Wie oben schon erläutert, führen nichtkompensierte Fehler des Frequenzverlaufs insbesondere zu verbreiterten Betragsspitze in der Frequenzdimension k; für die Annahme eines quadratischen Fehlers gibt es einen festen Zusammenhang zwischen Breite der Betragsspitze und der Fehlerstärke Q (siehe auch oben). Ein nichtlinearer Frequenzverlauf über Pixel hinweg führt auch dazu, dass es zu Winkelfehlern kommt (dies wird später detaillierter betrachtet, auch wie solche Winkelfehler bestimmt werden können); sind diese Winkelfehler bekannt, kann aus ihnen auf den Fehler im Frequenzverlauf geschlossen werden - nicht nur über Pixel hinweg, sondern auch innerhalb eines Pixels, da der Fehlerverlauf meist zumindest abschnittsweise quadratische Form hat.In order to compensate for a non-linear frequency curve, you have to know the errors, i.e. deviations from the linear curve. As explained above, uncompensated errors in the frequency curve lead in particular to broadened magnitude peaks in the frequency dimension k; for the assumption of a quadratic error, there is a fixed relationship between the width of the magnitude peak and the error strength Q (see also above). A non-linear frequency curve across pixels also leads to angular errors (this will be discussed in more detail later, including how such angular errors can be determined); if these angular errors are known, they can be used to determine the error in the frequency curve - not only across pixels, but also within a pixel, since the error curve usually has a square shape at least in sections.

Kompensation der internen Verkopplungen und Reflektionen von AbdeckungCompensation of internal couplings and reflections from cover

Oben wurde ausgeführt, dass im Block 8.1 bzw. 10.1 der festverdrahteten Rechenlogik nach 8 bzw. 10 zu der Empfangsfolge noch Korrekturwerte c1(n) aufaddiert werden, um die Effekte von Verkopplungen und Reflektionen innerhalb des Lidarsystems oder von seiner unmittelbaren Umgebung, insbesondere einer Abdeckung zu kompensieren. Es sei erwähnt, dass von Radarsensoren, welche auf gleichem Konzept des kohärenten Betriebs wie kohärente Lidarsensoren beruhen, nur eben in anderem elektromagnetischem Frequenzbereich, bekannt ist, dass eine Kompensation solcher Effekte vorteilhaft ist. Nun soll noch erläutert werden, wie sich diese Korrekturwerte bei einem kohärenten Lidarsystem mit Phasenmodulation bestimmen lassen und wie sie einfach realisiert werden können.Above it was explained that in block 8.1 or 10.1 of the hard-wired calculation logic according to 8 or 10 Correction values c 1 (n) are added to the reception sequence in order to compensate for the effects of couplings and reflections within the lidar system or from its immediate surroundings, in particular a cover. It should be mentioned that radar sensors that are based on the same concept of coherent operation as coherent lidar sensors, just in a different electromagnetic frequency range, are known to be advantageous in compensating for such effects. We will now explain how these correction values can be determined in a coherent lidar system with phase modulation and how they can be easily implemented.

Wenn man annimmt, dass zum einen die diskrete Entfernung m = 0 genau bei der Entfernung Null liegt und dass zum anderen die Entfernung dieser Verkopplungen und Reflektionen auch vernachlässigbar klein ist (damit ist auch Empfangsfrequenz fe = 0; Doppleranteil ist ja auch Null), dann kann man den in der Empfangsfolge generierten Pegel P dieser Verkopplungen und Reflektionen durch Mittelung über Produkt aus Empfangsfolge e(n) und unverschobener Modulationsfolge b(n) bestimmen (der von realen Objekten stammende Signalanteil in der Empfangsfolge hat zum einen geringeren Pegel und zum anderen mittelt er sich weitgehend heraus, weil er zu einer verschobenen Modulationsfolge korrespondiert und auch im Allgemeinen eine Empfangsfrequenz fe ≠ 0 hat). Die Korrekturwerte c1(n) ergeben sich dann als der so bestimmte Pegel P multipliziert mit der unverschobenen Modulationsfolge b(n) mit den Werten ±1. Die Bestimmung dieses Mittelwertes (durch Summe über die N = 4096 Werte e(n)·b(n) und Shiften des Ergebnisses um 12 Bit nach rechts) kann entweder außerhalb oder innerhalb der festverdrahteten Rechenlogik erfolgen. Bei einer Realisierung innerhalb der Rechenlogik kann entweder ein zusätzlicher Block dazu implementiert werden oder es wird direkt bei der schon existierenden Rechenlogik der Wert der zweidimensionalen Korrelation Em,k bei der diskreten Entfernung m = 0 und der diskreten Frequenz k = 0 benutzt, welcher der Summe von e(n)·b(n) entspricht. Wird das Korrelationsergebnis benutzt, dann ist zu berücksichtigen, dass die Rechenlogik in Form einer Pipeline ausgeführt ist und damit die Berechnung einige Takte dauert; soll also der über die zweidimensionale Korrelation berechnete Pegelwert im selben Pixel schon benutzt werden, muss man das Verschieben der Eingangsfolge im Block 8.2 bzw. 10.2, also das Takten dieses Blocks solange aussetzen. Alternativ könnte auch der Pegelwert vom vorhergehenden Zyklus oder von zuvor verarbeiteten benachbarten Pixel herangezogen werden (sofern von Pixel zu Pixel sich der Wert P nicht signifikant ändert). Für den so bestimmten Pegelwert P ordnet die festverdrahtete Rechenlogik den Korrekturwerte c1(n) die Werte ±P zu; wird immer dieselbe Modulationsfolge b(n) benutzt, so kann das jeweilige Vorzeichen festverdrahtet realisiert werden (negatives Vorzeichen vorzugsweise nur durch bitweise Invertierung), kann sich b(n) ändern, so werden schaltbare Invertierer benötigt.If one assumes that, on the one hand, the discrete distance m = 0 is exactly at the distance zero and, on the other hand, that the distance of these couplings and reflections is also negligibly small (therefore, the reception frequency f e = 0; the Doppler component is also zero), then the level P of these couplings and reflections generated in the reception sequence can be determined by averaging over the product of the reception sequence e(n) and the unshifted modulation sequence b(n) (the signal component in the reception sequence originating from real objects has a lower level and, on the other hand, it is largely averaged out because it corresponds to a shifted modulation sequence and also generally has a reception frequency f e ≠ 0). The correction values c 1 (n) then result as the thus determined Level P multiplied by the unshifted modulation sequence b(n) with the values ±1. The determination of this mean value (by summing over the N = 4096 values e(n)·b(n) and shifting the result by 12 bits to the right) can be carried out either outside or inside the hard-wired computing logic. When implemented within the computing logic, either an additional block can be implemented for this purpose or the value of the two-dimensional correlation E m,k at the discrete distance m = 0 and the discrete frequency k = 0, which corresponds to the sum of e(n)·b(n), is used directly in the existing computing logic. If the correlation result is used, then it must be taken into account that the computing logic is designed in the form of a pipeline and therefore the calculation takes several cycles; If the level value calculated via the two-dimensional correlation is to be used in the same pixel, the shifting of the input sequence in block 8.2 or 10.2, i.e. the clocking of this block, must be suspended for the time being. Alternatively, the level value from the previous cycle or from previously processed neighboring pixels could be used (provided that the value P does not change significantly from pixel to pixel). For the level value P determined in this way, the hard-wired calculation logic assigns the values ±P to the correction values c 1 (n); if the same modulation sequence b(n) is always used, the respective sign can be implemented hard-wired (negative sign preferably only by bit-by-bit inversion); if b(n) can change, switchable inverters are required.

Durch das oben beschriebene Verschleifen der Empfangspulsform und da insbesondere die Reflektion einer Abdeckung eine nicht ganz vernachlässigbare Laufzeit haben kann, ist auch bei der diskreten Entfernung m = 1 gegebenenfalls noch ein Signalanteil sichtbar. Dann ist der Pegel in der Empfangsfolge e(n) nicht nur abhängig vom jeweiligen Wert von b(n), sondern auch vom vorhergehenden Wert b(n-1), so dass zwei Mittelwerte bestimmt werden müssen: einer über die Zeitwerte n, bei denen b(n) und b(n-1) gleiches Vorzeichen haben, und einer für ungleiches Vorzeichen von b(n) und b(n-1). Diese zwei Pegelwerte werden in der festverdrahteten Logik dann den Korrekturwerten c1(n) vorzeichenrichtig zugeordnet, abhängig davon, ob b(n) und b(n-1) zum jeweiligen n gleiches oder entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen. Grundsätzlich könnten diese zwei Pegelwerte auch aus den zwei Summen von e(n)·b(n) und e(n)·b(n-1) über alle n bestimmt werden, wobei diese Summen entweder in einer expliziten Berechnung bestimmt oder aus der zweidimensionalen Korrelation entnommen werden. Falls der Empfangspuls derart weit verschliffen und/oder verschoben ist, dass ein Wert der Empfangsfolge e(n) von drei benachbarten Werten von b(n) beeinflusst wird, ist das oben beschriebene Verfahren entsprechend zu erweitern.Due to the smoothing of the received pulse shape described above and because the reflection of a cover in particular can have a not entirely negligible transit time, a signal component may still be visible even at the discrete distance m = 1. The level in the received sequence e(n) is then not only dependent on the respective value of b(n), but also on the previous value b(n-1), so that two average values must be determined: one over the time values n for which b(n) and b(n-1) have the same sign, and one for unequal signs of b(n) and b(n-1). These two level values are then assigned to the correction values c 1 (n) in the hard-wired logic with the correct sign, depending on whether b(n) and b(n-1) have the same or opposite sign to the respective n. In principle, these two level values could also be determined from the two sums of e(n)·b(n) and e(n)·b(n-1) over all n, whereby these sums are either determined in an explicit calculation or taken from the two-dimensional correlation. If the received pulse is smoothed and/or shifted to such an extent that a value of the received sequence e(n) is influenced by three neighboring values of b(n), the method described above must be extended accordingly.

Durch die der Phasenmodulation überlagerte lineare Frequenzänderung kann die Empfangsfolge insbesondere von der Reflektion einer Abdeckung eine kleine Frequenz aufweisen; auch wenn während den N = 4096 Werten eines Pixels nur ein Bruchteil einer Periode durchschritten wird, würde die oben beschriebene Kompensation mit ihrer Annahme der Empfangsfrequenz Null und damit einer konstanten Phase nicht mehr komplett wirken. Um den Effekt der Frequenz zu reduzieren, könnten Pegelwerte abschnittsweise bestimmt werden, z. B. über 4 Abschnitte der Länge N/4 = 1024. Alternativ könnten bei Kenntnis der kleinen Empfangsfrequenz diese vor Bestimmung der Pegelwerte durch Multiplikation mit entsprechenden Drehfaktoren eliminiert und dann diese Drehfaktoren bei der Bestimmung der Korrekturwerte c1(n) wieder angewendet werden; dies ist allerdings recht aufwändig. Die Pegelwerte lassen sich auch wieder aus der zweidimensionalen Korrelation bestimmen; dabei kann auch eine unbekannte Frequenz mit Hilfe einer Interpolation ermittelt werden.Due to the linear frequency change superimposed on the phase modulation, the reception sequence can have a low frequency, particularly from the reflection of a cover; even if only a fraction of a period is passed through during the N = 4096 values of a pixel, the compensation described above with its assumption of a reception frequency of zero and thus a constant phase would no longer be completely effective. To reduce the effect of the frequency, level values could be determined in sections, e.g. over 4 sections of length N/4 = 1024. Alternatively, if the small reception frequency is known, it could be eliminated before determining the level values by multiplying it by the corresponding rotation factors and then these rotation factors could be used again when determining the correction values c 1 (n); however, this is quite complex. The level values can also be determined again from the two-dimensional correlation; an unknown frequency can also be determined using interpolation.

Falls die Effekte von Verkopplung und Reflektion über die Zeit und/oder über kleine Pixelbereiche zumindest näherungsweise konstant sind, kann über Erfassungszyklen und/oder Pixelbereiche gemittelt werden. Dass über alle Pixel die Effekte konstant sind, ist im Allgemeinen aber nicht der Fall, da sich z. B. durch unterschiedliche Strahlrichtungen unterschiedliche Phasenlagen der Reflektionen von einer Abdeckung ergeben.If the effects of coupling and reflection are at least approximately constant over time and/or over small pixel areas, an average can be taken over acquisition cycles and/or pixel areas. However, it is generally not the case that the effects are constant across all pixels, since, for example, different beam directions result in different phase positions of the reflections from a cover.

Vorzeichenbestimmung der Empfangsfrequenz bei reellwertigem Mischer mit Hilfe linearer FrequenzmodulationDetermination of the sign of the reception frequency in a real-valued mixer using linear frequency modulation

In den folgenden Abschnitten sollen die Vorteile und die Systemansätze, welche die Kombination einer Phasenmodulation und einer sich ändernden Frequenz ermöglichen, erläutert werden.The following sections will explain the advantages and system approaches that enable the combination of phase modulation and a changing frequency.

Im bisher betrachteten Lidarsystem nach 1 ist der Mischer komplexwertig ausgeführt, was gegenüber einem reellwertigen Mischer (mit nur einem reellwertigen Ausgang) für den Empfangspfad einen deutlichen Mehraufwand (nahezu doppelt) darstellt. Bei Verwendung eines reellwertigen Mischers kann aber nur der Betrag der Empfangsfrequenz ermittelt werden, nicht das Vorzeichen, da es in der Korrelation Em,k zwei Betragsspitzen bei (m0,+k0) und (m0,-k0) gibt. Im Falle einer konstanten Sendefrequenz nach Stand der Technik, kann dann nur der Betrag, aber nicht das Vorzeichen der radialen Relativgeschwindigkeit bestimmt werden. Zur Ermittlung des Vorzeichens können nach Stand der Technik Ansätze über Tracking, d. h. Verfolgung über mehrere Aufnahmezyklen, und/oder über Plausibilisierung, z. B. ob der gemessene Betrag der radialen Relativgeschwindigkeit zu einem stationären Objekt korrespondiert, benutzt werden, was aber auch mit Nachteilen verbunden ist. Diese Nachteile lassen sich durch die der Phasenmodulation überlagerte lineare Frequenzmodulation reduzieren. Gemäß Bez. (12): f e = f D + f r = 2v / λ 2r / c B / T pm ,

Figure DE102023201147A1_0063
setzt sich die Empfangsfrequenz fe nach Mischung und auch nach Digitalisierung aus der durch die Relativgeschwindigkeit v generierte Dopplerverschiebung fD und der durch die lineare Frequenzmodulation bewirkten Frequenzverschiebung fr zusammen, wobei fr proportional zur Objektentfernung r ist, die mit Hilfe der Phasenmodulation bestimmt wird. Der zum relevanten Relativgeschwindigkeitsbereich vmin,...,vmax korrespondierende Bereich der Empfangsfrequenz fe verschiebt sich somit über die Objektentfernung r; dies ist in 13 für vmin = -80km/h und vmax = +280km/h sowie die oben betrachtete Auslegung der linearen Frequenzmodulation, d. h. B = 800MHz und Tpm = 13.7µs dargestellt. Als Beispiel werde die Objektentfernung r = 200m betrachtet; der relevante Frequenzbereich erstreckt sich über fe = -106.,...,22.3MHz. Da bei einem reellwertigen Mischer nur der Betrag, aber nicht das Vorzeichen der Empfangsfrequenz bestimmt werden kann, kommt es für die Empfangsfrequenz im Bereich fe = -22.3,...,22.3MHz, welcher zum Relativgeschwindigkeitsbereich v = 156,...,280km/h korrespondiert, zu Mehrdeutigkeit - es wird also z. B. nicht zwischen den zwei Relativgeschwindigkeiten v = 156km/h und v = 280km/h unterschieden, oder auch nicht zwischen v = 186km/h und v = 250km/h; für alle Empfangsfrequenzen mit gemessenem Betrag |fe| > 22.3MHz ist nur das negative Vorzeichen möglich, so dass sich die Relativgeschwindigkeit eindeutig bestimmen lässt. In 13 ist der mehrdeutige Bereich der Empfangsfrequenz schraffiert dargestellt. Für die maximale Objektentfernung 249.5m liegt fast der gesamte relevante Frequenzbereich fe = -126.2,...,2.9MHz im Negativen, so dass es abgesehen vom Relativgeschwindigkeitsbereich v = 265,...,280km/h zu keinen Mehrdeutigkeiten kommt.In the lidar system considered so far, 1 the mixer is designed as a complex value, which represents a significant additional effort (almost twice) for the reception path compared to a real-valued mixer (with only one real-valued output). When using a real-valued mixer, however, only the magnitude of the reception frequency can be determined, not the sign, since there are two magnitude peaks in the correlation E m,k at (m 0 ,+k 0 ) and (m 0 ,-k 0 ). In the case of a constant transmission frequency according to the state of the art, only the magnitude, but not the sign, of the radial relative velocity can be determined. To determine the sign, state-of-the-art approaches can be used via tracking, ie tracking over several recording cycles, and/or via plausibility checks, e.g. whether the measured value of the radial relative speed corresponds to a stationary object, but this also has disadvantages. These disadvantages can be reduced by the linear frequency modulation superimposed on the phase modulation. According to reference (12): e e = e D + e r = 2v / λ 2r / c B / T pm ,
Figure DE102023201147A1_0063
the reception frequency f e after mixing and also after digitization is composed of the Doppler shift f D generated by the relative speed v and the frequency shift f r caused by the linear frequency modulation, where f r is proportional to the object distance r, which is determined using the phase modulation. The range of the reception frequency f e corresponding to the relevant relative speed range v min ,...,v max thus shifts over the object distance r; this is in 13 for v min = -80km/h and v max = +280km/h as well as the design of the linear frequency modulation considered above, i.e. B = 800MHz and T pm = 13.7µs. As an example, consider the object distance r = 200m; the relevant frequency range extends over f e = -106.,...,22.3MHz. Since with a real-valued mixer only the magnitude and not the sign of the received frequency can be determined, there is ambiguity for the received frequency in the range f e = -22.3,...,22.3MHz, which corresponds to the relative speed range v = 156,...,280km/h - for example, no distinction is made between the two relative speeds v = 156km/h and v = 280km/h, or between v = 186km/h and v = 250km/h; for all reception frequencies with measured value |f e | > 22.3MHz only the negative sign is possible, so that the relative speed can be determined unambiguously. In 13 the ambiguous range of the reception frequency is shown hatched. For the maximum object distance of 249.5m, almost the entire relevant frequency range f e = -126.2,...,2.9MHz is negative, so that apart from the relative speed range v = 265,...,280km/h, there are no ambiguities.

Um den Bereich der Empfangsfrequenz mit Mehrdeutigkeit zu reduzieren, kann eine negative Modulationsbandbreite, also bei gleichem Betrag wie oben B = -800MHz gewählt werden, d. h. die Sendefrequenz erniedrigt sich linear über die Zeit. In 14 sind dafür die Verhältnisse für die Empfangsfrequenz dargestellt; für Objektentfernungen r > 73.4m gibt es gar keine Mehrdeutigkeiten mehr. Allerdings ist die maximal auftretende Empfangsfrequenz nun betragsmäßig höher als bei positiver Modulationsbandbreite (198.1MHz statt 126.2MHz), so dass eine höhere Abtastfrequenz von wenigstens etwa fs = 450MHz nötig ist (statt fs = 300MHz). Durch ein Erhöhen des Betrags der Modulationsbandbreite B kann der Entfernungsbereich mit Mehrdeutigkeiten noch weiter reduziert werden; für doppelten Betrag und negatives Vorzeichen der Modulationsbandbreite, also B = -1600MHz, kommt es gemäß 15 nur noch für Objektentfernungen r < 36.7m zu Mehrdeutigkeiten; allerdings ist dann eine weitere Erhöhung der Abtastfrequenz nötig. Es sei noch erwähnt, dass eine höhere Abtastfrequenz (und mehr Abtastwerte pro Pixel, deren Datenaufnahmezeit unverändert bleiben soll) die FFT zur Berechnung der zweidimensionalen Korrelation unveränderte Länge haben kann, wenn - wie oben erläutert - der laufzeitbedingte Anteil der Frequenzverschiebung vor FFT über Multiplikation entsprechender Drehfaktoren eliminiert wird und danach eine entsprechende Dezimation sattfindet.In order to reduce the range of the receiving frequency with ambiguity, a negative modulation bandwidth can be selected, i.e. with the same amount as above B = -800MHz, ie the transmitting frequency decreases linearly over time. In 14 the conditions for the reception frequency are shown; for object distances r > 73.4m there are no more ambiguities. However, the maximum reception frequency that occurs is now higher in magnitude than with a positive modulation bandwidth (198.1MHz instead of 126.2MHz), so that a higher sampling frequency of at least about f s = 450MHz is necessary (instead of f s = 300MHz). By increasing the amount of the modulation bandwidth B, the distance range with ambiguities can be reduced even further; for double the amount and negative sign of the modulation bandwidth, i.e. B = -1600MHz, according to 15 only for object distances r < 36.7m ambiguities arise; however, a further increase in the sampling frequency is then necessary. It should also be mentioned that a higher sampling frequency (and more samples per pixel, whose data acquisition time should remain unchanged) means that the FFT for calculating the two-dimensional correlation can have an unchanged length if - as explained above - the runtime-related part of the frequency shift is eliminated before the FFT by multiplying the corresponding rotation factors and then a corresponding decimation takes place.

Mit Hilfe des laufzeitabhängigen Frequenzverschiebungseffekts der linearen Frequenzmodulation lässt sich also das bei einem reellwertigen Mischer auftretende Mehrdeutigkeitsproblem bei der Bestimmung der Relativgeschwindigkeit auf nähere Objektentfernungen reduzieren. Da dort im Tracking normalerweise schon Tracks aufgesetzt sind, lässt sich bei Zuordnung der aus einem einzelnen Erfassungszyklus generierten Detektionen zu den Tracks die Mehrdeutigkeit lösen.With the help of the runtime-dependent frequency shift effect of linear frequency modulation, the ambiguity problem that occurs with a real-valued mixer when determining the relative speed can be reduced to closer object distances. Since tracks are usually already set up in tracking there, the ambiguity can be resolved by assigning the detections generated from a single acquisition cycle to the tracks.

Sollen möglichst geringe Abtastfrequenzen eingesetzt werden, sind nur kleine Modulationsbandbreiten möglich, so dass sich über den ganzen Entfernungsbereich Mehrdeutigkeiten in der Bestimmung der Relativgeschwindigkeit ergeben können. Diese kann dadurch gelöst werden, dass über Erfassungszyklen hinweg die Modulationsbandbreite geändert wird, insbesondere ihr Vorzeichen alterniert wird. Für die Empfangsfrequenz erhält man im Falle der Modulationsbandbreite +B: f e ,1 = f D + f r = 2v / λ 2r / c B / T pm ,

Figure DE102023201147A1_0064
und im Falle der invertierten Modulationsbandbreite -B: f e ,2 = f D f r = 2v / λ + 2r / c B / T pm ,
Figure DE102023201147A1_0065
wobei die laufzeitabhängige Frequenzverschiebung f r = 2r / c B / T pm
Figure DE102023201147A1_0066
bekannt ist, da die Objektentfernung r ja mit Hilfe der Phasenmodulation bestimmt wird. Die Dopplerverschiebung fD ergibt sich durch Summation dieser beiden Beziehungen zu f D = ( f e ,1 + f e ,2 ) / 2.
Figure DE102023201147A1_0067
If the lowest possible sampling frequencies are to be used, only small modulation bandwidths are possible, so that ambiguities in the determination of the relative speed can arise over the entire distance range. This can be resolved by changing the modulation bandwidth over acquisition cycles, in particular by alternating its sign. For the reception frequency, in the case of the modulation bandwidth +B, the following is obtained: e e ,1 = e D + e r = 2v / λ 2r / c B / T pm ,
Figure DE102023201147A1_0064
and in the case of the inverted modulation bandwidth -B: e e ,2 = e D e r = 2v / λ + 2r / c B / T pm ,
Figure DE102023201147A1_0065
where the time-dependent frequency shift e r = 2r / c B / T pm
Figure DE102023201147A1_0066
is known, since the object distance r is determined using phase modulation. The Doppler shift f D is obtained by summing these two relationships to e D = ( e e ,1 + e e ,2 ) / 2.
Figure DE102023201147A1_0067

Bei Verwendung eines reellwertigen Mischers werden allerdings nur die Beträge |fe,1| und |fe,2| der beiden Empfangsfrequenzen gemessen. Wie man daraus eindeutig die Relativgeschwindigkeit v ermitteln kann, soll nun für eine positive laufzeitbedingte Frequenzverschiebung fr hergeleitet werden. Wenn die Dopplerverschiebung fD vom Betrag her unter diesem fr liegt (also |fD| < fr), dann ist gemäß Bez. (47) fe,1 > 0, also fe,1 = |fe,1|, und fe,2< 0, also fe,2 = -|fe,2|, und für die Differenz der Beträge der Empfangsfrequenzen gilt dann unter Verwendung der Bez. (47): | f e ,1 | | f e ,2 | = f e ,1 ( f e ,2 ) = f e ,1 + f e ,2 = 2 f D  f u ¨ | f D | < f r ,

Figure DE102023201147A1_0068
und für den Betrag dieser Differenz mit |fD| < fr: | | f e ,1 | | f e ,2 | | = 2 | f D | < 2 f r  f u ¨ | f D | < f r .
Figure DE102023201147A1_0069
When using a real-valued mixer, however, only the amounts |f e,1 | and |f e,2 | of the two receiving frequencies are measured. How the relative speed v can be clearly determined from this will now be derived for a positive time-dependent frequency shift f r . If the Doppler shift f D is less than this f r (i.e. |f D | < f r ), then according to equation (47) f e,1 > 0, i.e. f e,1 = |f e,1 |, and f e,2 < 0, i.e. f e,2 = -|f e,2 |, and the difference between the amounts of the receiving frequencies is then given using equation (47): | e e ,1 | | e e ,2 | = e e ,1 ( e e ,2 ) = e e ,1 + e e ,2 = 2 e D e u ¨ r | e D | < e r ,
Figure DE102023201147A1_0068
and for the amount of this difference with |fD| < f r : | | e e ,1 | | e e ,2 | | = 2 | e D | < 2 e r e u ¨ r | e D | < e r .
Figure DE102023201147A1_0069

Für Dopplerverschiebung fD ≥ fr sind beide Empfangsfrequenzen nicht negativ, also fe,1 = |fe,1| und fe,2 = |fe,2|, so dass unter Verwendung der Bez. (47) gilt: | f e ,1 | | f e ,2 | = f e ,1 f e ,2 = 2 f r  f u ¨ r f D f r ,

Figure DE102023201147A1_0070
während für Dopplerverschiebung fD ≤ -fr beide Empfangsfrequenzen negativ sind, also fe,1 = -|fe,1| und fe,2 = -|fe,2|, und somit gilt: | f e ,1 | | f e ,2 | = f e ,1 ( f e ,2 ) = f e ,1 + f e ,2 = 2 f r  f u ¨ r f D f r .
Figure DE102023201147A1_0071
For Doppler shift f D ≥ f r both reception frequencies are non-negative, i.e. f e,1 = |f e,1 | and f e,2 = |f e,2 |, so that using the relation (47) the following applies: | e e ,1 | | e e ,2 | = e e ,1 e e ,2 = 2 e r e u ¨ r f D e r ,
Figure DE102023201147A1_0070
while for Doppler shift f D ≤ -f r both reception frequencies are negative, i.e. f e,1 = -|f e,1 | and f e,2 = -|f e,2 |, and thus: | e e ,1 | | e e ,2 | = e e ,1 ( e e ,2 ) = e e ,1 + e e ,2 = 2 e r e u ¨ r f D e r .
Figure DE102023201147A1_0071

Somit lassen sich die drei Fälle |fD| < fr (also -fr < fD < fr), fD ≥ fr und fD ≤ -fr eindeutig aus der Differenz |fe,1| - |fe,2| der gemessenen Beträge der beiden Empfangsfrequenzen unterscheiden und damit bestimmen: | | f e ,1 | | f e ,2 | | < 2 f r | f D | < f r ,

Figure DE102023201147A1_0072
| f e ,1 | | f e ,2 | = 2 f r f D f r ,
Figure DE102023201147A1_0073
| f e ,1 | | f e ,2 | = 2 f r f D f r .
Figure DE102023201147A1_0074
Thus, the three cases |f D | < f r (i.e. -f r < f D < f r ), f D ≥ f r and f D ≤ -f r can be clearly distinguished from the difference |f e,1 | - |f e,2 | of the measured values of the two reception frequencies and thus determined: | | e e ,1 | | e e ,2 | | < 2 e r | e D | < e r ,
Figure DE102023201147A1_0072
| e e ,1 | | e e ,2 | = 2 e r e D e r ,
Figure DE102023201147A1_0073
| e e ,1 | | e e ,2 | = 2 e r e D e r .
Figure DE102023201147A1_0074

Für jeden dieser drei Fälle ist das Vorzeichen der beiden Empfangsfrequenzen eindeutig definiert (siehe jeweils oben), so dass mit Bez. (48) die Dopplerverschiebung fD eindeutig bestimmt werden kann: | | f e ,1 | | f e ,2 | | < 2 f r | f D | < f r f e ,1 = | f e ,1 | ,  f e ,2 = | f e ,2 | f D = ( | f e ,1 | | f e ,2 | ) / 2,

Figure DE102023201147A1_0075
| f e ,1 | | f e ,2 | = 2 f r f D f r f e ,1 = | f e ,1 | ,  f e ,2 = | f e ,2 | f D = ( | f e ,1 | + | f e ,2 | ) / 2,
Figure DE102023201147A1_0076
| f e ,1 | | f e ,2 | = 2 f r f D f r f e ,1 = | f e ,1 | ,  f e ,2 = | f e ,2 | f D = ( | f e ,1 | | f e ,2 | ) / 2.
Figure DE102023201147A1_0077
For each of these three cases, the sign of the two reception frequencies is clearly defined (see above), so that the Doppler shift f D can be determined unambiguously using (48): | | e e ,1 | | e e ,2 | | < 2 e r | e D | < e r e e ,1 = | e e ,1 | , e e ,2 = | e e ,2 | e D = ( | e e ,1 | | e e ,2 | ) / 2,
Figure DE102023201147A1_0075
| e e ,1 | | e e ,2 | = 2 e r e D e r e e ,1 = | e e ,1 | , e e ,2 = | e e ,2 | e D = ( | e e ,1 | + | e e ,2 | ) / 2,
Figure DE102023201147A1_0076
| e e ,1 | | e e ,2 | = 2 e r e D e r e e ,1 = | e e ,1 | , e e ,2 = | e e ,2 | e D = ( | e e ,1 | | e e ,2 | ) / 2.
Figure DE102023201147A1_0077

Bisher wurde ein positives Vorzeichen der laufzeitbedingten Frequenzverschiebung fr betrachtet (also wegen Bez. (11b) Modulationsbandbreite B < 0); die analogen Betrachtungen sind für negatives Vorzeichen (also Modulationsbandbreite B > 0) gültig: | | f e ,1 | | f e ,2 | | < 2 | f r | | f D | < | f r | f e ,1 = | f e ,1 | ,  f e ,2 = | f e ,2 | f D = ( | f e ,1 | + | f e ,2 | ) / 2,

Figure DE102023201147A1_0078
| f e ,1 | | f e ,2 | = 2 | f r | f D | f r | f e ,1 = | f e ,1 | ,  f e ,2 = | f e ,2 | f D = ( | f e ,1 | | f e ,2 | ) / 2,
Figure DE102023201147A1_0079
| f e ,1 | | f e ,2 | = 2 | f r | f D | f r | f e ,1 = | f e ,1 | ,  f e ,2 = | f e ,2 | f D = ( | f e ,1 | + | f e ,2 | ) / 2.
Figure DE102023201147A1_0080
So far, a positive sign of the delay-related frequency shift f r has been considered (i.e., due to reference (11b), modulation bandwidth B <0); the analogous considerations are valid for a negative sign (i.e., modulation bandwidth B > 0): | | e e ,1 | | e e ,2 | | < 2 | e r | | e D | < | e r | e e ,1 = | e e ,1 | , e e ,2 = | e e ,2 | e D = ( | e e ,1 | + | e e ,2 | ) / 2,
Figure DE102023201147A1_0078
| e e ,1 | | e e ,2 | = 2 | e r | e D | e r | e e ,1 = | e e ,1 | , e e ,2 = | e e ,2 | e D = ( | e e ,1 | | e e ,2 | ) / 2,
Figure DE102023201147A1_0079
| e e ,1 | | e e ,2 | = 2 | e r | e D | e r | e e ,1 = | e e ,1 | , e e ,2 = | e e ,2 | e D = ( | e e ,1 | + | e e ,2 | ) / 2.
Figure DE102023201147A1_0080

Beide Zusammenhänge lassen sich unter Verwendung des Vorzeichens VB = ±1 der Modulationsbandbreite B zusammenfassen, und für die radiale Relativgeschwindigkeit v = λ/2·fD ergibt sich dann in eindeutiger Weise: f u ¨ r | | f e ,1 | | f e ,2 | | < 2 | f r | : v = V B λ / 4 ( | f e ,1 | | f e ,2 | ) ,

Figure DE102023201147A1_0081
f u ¨ r | | f e ,1 | | f e ,2 | | 2 | f r | : v = V B λ / 4 ( | f e ,1 | + | f e ,2 | ) ,
Figure DE102023201147A1_0082
f u ¨ r | | f e ,1 | | f e ,2 | | 2 | f r | : v = + V B λ / 4 ( | f e ,1 | + | f e ,2 | ) ;
Figure DE102023201147A1_0083
dabei ist noch berücksichtigt, dass durch Rechentoleranzen und kleine Änderungen der Relativgeschwindigkeit und/oder Entfernung über die zwei Erfassungszyklen auch Werte von |fe,1| - |fe,2| leicht außerhalb der eigentlichen Grenzen ±2·|fr| möglich sind, weshalb statt auf „=“ auf „≥“ bzw. „≤“ verglichen wird. Die Relativgeschwindigkeit v lässt sich also in eindeutiger Weise dadurch bestimmen, dass zuerst die Differenz |fe,1|- |fe,2| der Beträge der beiden Empfangsfrequenzen gebildet und mit ±2·|fr| verglichen wird, um dann für den sich daraus ergebenden der drei Bereiche die jeweilige Beziehung zur Berechnung von v anzuwenden. Einzig bei fr = 0, also Entfernung Null, kann das Vorzeichen der Relativgeschwindigkeit v nicht bestimmt werden, denn dann sind der zweite und dritte Fall in obiger Bez. (52) nicht zu unterscheiden und möglich (die Mehrdeutigkeit ist auch dadurch erklärbar, dass die nur vom Betrag her bekannte Empfangsfrequenz dann alleine aus der Dopplerverschiebung besteht). Wegen Toleranzen und Änderungen zwischen zwei Erfassungszyklen kann es auch bei sehr kleinen Werten von fr noch zu diesem Problem der nicht möglichen Vorzeichenbestimmung der Dopplerverschiebung und damit der Relativgeschwindigkeit kommen); allerdings korrespondieren solche sehr kleinen Werte von fr zum Bereich unmittelbar vor dem Sensor, wo im Normalfall keine Objekte auftreten und falls doch, deren Vorzeichen der Relativgeschwindigkeit schon aus der Historie bekannt und/oder meistens näherungsweise Null ist. Es sei bemerkt, dass für die Herleitung der Bez. (52) die effektiv aus zwei Erfassungszyklen gemittelte Dopplerverschiebung fD nach Bez. (48) benutzt wurde; es kann natürlich auch die nur auf einem Erfassungszyklus basierende Dopplerverschiebung fD nach Bez. (47a) oder (47b) verwendet werden. Des Weiteren kann auch eine in den beiden Erfassungszyklen leicht unterschiedliche entfernungsbedingte Frequenzverschiebung berücksichtigt werden; in Bez. (47a) und (47b) sind dann unterschiedliche Werte fr,1 und fr,2 zu verwenden und in Bez. (48) kommt dann noch deren Differenz als kleiner Anteil hinzu.Both relationships can be summarized using the sign V B = ±1 of the modulation bandwidth B, and the radial relative velocity v = λ/2·f D then results in a unique way: e u ¨ r | | e e ,1 | | e e ,2 | | < 2 | e r | : v = V B λ / 4 ( | e e ,1 | | e e ,2 | ) ,
Figure DE102023201147A1_0081
e u ¨ r | | e e ,1 | | e e ,2 | | 2 | e r | : v = V B λ / 4 ( | e e ,1 | + | e e ,2 | ) ,
Figure DE102023201147A1_0082
e u ¨ r | | e e ,1 | | e e ,2 | | 2 | e r | : v = + V B λ / 4 ( | e e ,1 | + | e e ,2 | ) ;
Figure DE102023201147A1_0083
It is also taken into account that due to calculation tolerances and small changes in the relative speed and/or distance over the two acquisition cycles, values of |f e,1 | - |f e,2 | are also possible slightly outside the actual limits ±2·|f r |, which is why the comparison is made using “≥” or “≤” instead of “=”. The relative speed v can therefore be determined unambiguously by first calculating the difference |f e,1 |- |f e,2 | between the magnitudes of the two reception frequencies and comparing it with ±2·|f r |, in order to then apply the respective relationship to calculate v for the resulting one of the three ranges. Only when f r = 0, i.e. distance zero, can the sign of the relative speed v not be determined, because then the second and third cases in relation (52) above cannot be distinguished and are not possible (the ambiguity can also be explained by the fact that the reception frequency, which is only known in terms of its magnitude, then consists solely of the Doppler shift). Due to tolerances and changes between two acquisition cycles, this problem of the impossibility of determining the sign of the Doppler shift and thus the relative speed can still arise even with very small values of f r ); however, such very small values of f r correspond to the area immediately in front of the sensor, where no objects normally occur and if they do, their sign of the relative speed is already known from history and/or is usually approximately zero. It should be noted that for the derivation of relation (52), the Doppler shift f D according to relation (48), effectively averaged over two acquisition cycles, was used; Of course, the Doppler shift f D based on only one acquisition cycle according to (47a) or (47b) can also be used. Furthermore, a slightly different distance-related frequency shift in the two acquisition cycles can also be taken into account; in (47a) and (47b) different values f r,1 and f r,2 are then to be used and in (48) their difference is then added as a small part.

Somit lässt sich durch Vergleich der gemessenen Empfangsfrequenzen von zwei Erfassungszyklen die Mehrdeutigkeit der Relativgeschwindigkeit lösen. Wie beim normalen Tracking ist dabei eine Zuordnung von Detektionen über Zyklen hinweg nötig. Allerdings wird beim konventionellen Ansatz zum Lösen der Mehrdeutigkeit über Tracking im Allgemeinen ein Verfolgen über deutlich mehr Zyklen nötig, da dort der gemessene Entfernungsverlauf, also die über Zyklen hinweg gemessene Entfernungsänderung, mit der durch die jeweilige Geschwindigkeitshypothese erwarteten Entfernungsänderung verglichen wird. Bei einer betragsmäßig kleinen Empfangsfrequenz und somit zwei wenig weit auseinanderliegenden Geschwindigkeitshypothesen dauert das aber viele Zyklen.The ambiguity of the relative speed can thus be resolved by comparing the measured reception frequencies of two acquisition cycles. As with normal tracking, an assignment of detections across cycles is necessary. However, the conventional approach to resolving the ambiguity via tracking generally requires tracking over significantly more cycles, since the measured distance progression, i.e. the change in distance measured across cycles, is compared with the change in distance expected from the respective speed hypothesis. However, with a small reception frequency and thus two speed hypotheses that are not far apart, this takes many cycles.

Den Ansatz zum Lösen der Geschwindigkeitsmehrdeutigkeiten durch Variation der Modulationsbandbreite, z. B. durch alternierendes Vorzeichen, lässt sich aber nicht nur über zwei Erfassungszyklen hinweg anwenden. Alternativ kann auch ein Pixel in einem Erfassungszyklus mit unterschiedlichem Wert bzw. Vorzeichen der Modulationsbandbreite B aufgenommen werden; das würde allerdings bei gegebener Hardware die Zahl der Pixel halbieren, oder es müsste die Zahl der parallelen Send-Empfangspfade verdoppelt werden. Um dies zu vermeiden, können statt selben Pixeln nahe beieinanderliegende, insbesondere benachbarte Pixel mit unterschiedlichem Wert bzw. Vorzeichen der Modulationsbandbreite B aufgenommen werden; da ein reales Objekt normalerweise ausgedehnt ist und somit in mehreren Pixeln erfasst wird und dabei Relativgeschwindigkeit und Entfernung zumindest näherungsweise gleich sind, kann wieder die Bez. (52) zur eindeutigen Bestimmung der Relativgeschwindigkeit v angewendet werden, wobei die beiden Empfangsfrequenzen zu zwei Pixeln mit unterschiedlichem Vorzeichen der Modulationsbandbreite B gehören. Ein Ansatz für unterschiedliches B bei nahe beieinanderliegenden, insbesondere benachbarten, Pixeln besteht darin, dass man bei einem System mit Scannen für unterschiedliche, insbesondere benachbarte, Scanebenen unterschiedliches B wählt.The approach to resolving the speed ambiguities by varying the modulation bandwidth, e.g. by alternating signs, can not only be applied across two acquisition cycles. Alternatively, a pixel can also be recorded in one acquisition cycle with a different value or sign of the modulation bandwidth B; however, with a given hardware, this would halve the number of pixels, or the number of parallel send-receive paths would have to be doubled. To avoid this, instead of the same pixels, pixels that are close to each other, especially neighboring ones, can be recorded with different values or signs of the modulation bandwidth B; since a real object is normally extended and is thus recorded in several pixels and the relative speed and distance are at least approximately the same, the relation (52) can again be used to clearly determine the relative speed v, where the two reception frequencies belong to two pixels with different signs of the modulation bandwidth B. One approach for different B for pixels that are close to each other, especially neighboring ones, is to that in a system with scanning for different, especially adjacent, scan planes, different B is selected.

Kontinuierliches Scannen durch FrequenzänderungContinuous scanning by frequency change

Im Folgenden wird eine Realisierungsmöglichkeit für kontinuierliches Scannen in einer Erfassungsebene dargestellt. Dabei werden Elemente benutzt, deren Strahlrichtung (für Senden und Empfangen) von der Frequenz abhängig ist; Beispiele für solche Elemente sind dispersive Materialien, Gitterstrukturen oder Wellenleiter, wobei hier auf Letzteres fokussiert werden soll (aber natürlich sind die gezeigten Ansätze auch analog auf andere Elemente übertragbar). 16 zeigt einen in einem photonischen Halbleiterchip 16.1 realisierten Wellenleiter 16.2 der Länge 1 cm mit seitlicher Speisung 16.3 mit einer Frequenz f und mit äquidistanten Koppelstellen 16.4 im jeweiligen Abstand von λ0/2 mit λ0 = 1550nm (Freiluftwellenlänge zu f0 = c/λ0 = 195THz); die Koppelstellen sind in 16 punktförmig dargestellt, sie können aber auch eine gewisse Ausdehnung haben. Die Koppelstellen dienen beim Senden zum Auskoppeln der Welle, beim Empfangen zum Einkoppeln. Die Struktur des Wellenleiters ist periodisch, d. h. nimmt zwischen jeweils zwei benachbarten Koppelstellen selbe Gestalt an. Deshalb ist die von der benutzten Frequenz f abhängige Phasendifferenz Δφ(f) zwischen jeweils zwei benachbarten Koppelstellen konstant, so dass sich die Phase der Welle, welche an der k-ten Koppelstelle, k = 0,...,K-1 mit K = 12900, emittiertet wird, zu φ k ( f ) = k Δφ ( f ) = k mod _ 2 π ( Δφ ( f ) ) mit k = 0, , K 1

Figure DE102023201147A1_0084
ergibt, wobei „mod2n“ die symmetrische Modulofunktion zum Modul 2π darstellt, also auf den symmetrischen Bereich -π,...+π abbildet; die Modulobildung berücksichtigt, dass im Allgemeinen zahlreiche Wellenlängen zwischen zwei Koppelstellen liegen, auch um eine möglichst starke Abhängigkeit der Phasendifferenz von der Frequenz zu erzielen, was durch die im 16 angedeutete mäanderförmige Struktur erzielt werden kann (die Mäander können - wie im Bild dargestellt - nach innen gehen oder parallel zur Oberfläche des Chips liegen). Ist die Phasendifferenz Δφ(f) ein ganzzahliges Vielfaches von 2π (also eine ganze Zahl von Wellenlängen liegt jeweils zwischen den Koppelstellen), dann ist die Strahlrichtung senkrecht zum Wellenleiter. Im anderen Fall, also mod(Δφ(f)) ≠ 0, ergibt sich wie in 16 dargestellt eine schräge Strahlrichtung mit Winkel γ1(f) dadurch definiert, dass die Strahllängendifferenz ΔI zu benachbarten Koppelstellen die Phasendifferenz mod(Δφ(f)) kompensiert; da zur Strahllängendifferenz ΔI die Phasendifferenz 2π·ΔI/λ mit der Freiraumwellenlänge λ = c/f korrespondiert und ΔI = sin(γ1(f))·λ0/2 mit λ0= c/f0 ist, gilt: 2 π sin ( γ 1 ( f ) ) λ 0 / ( 2 λ ) = π sin ( γ 1 ( f ) ) f / f 0 = mod _ 2 π ( Δφ ( f ) )
Figure DE102023201147A1_0085
und somit γ 1 ( f ) = asin ( mod _ 2 π ( Δφ ( f ) ) / π f 0 / f ) ,
Figure DE102023201147A1_0086
wobei „asin“ die inverse Sinusfunktion darstellt. Ist beispielsweise mod(Δφ) = π/2 und λ = λ0, dann ergibt sich der Winkel γ1 = 30°. Der Strahlwinkel gilt sowohl für Senden als auch für Empfangen - dies folgt auch aus dem Grundsatz der Reziprozität.In the following, a possible implementation for continuous scanning in a detection plane is presented. Elements are used whose beam direction (for sending and receiving) depends on the frequency; examples of such elements are dispersive materials, grating structures or waveguides, whereby the focus here is on the latter (but of course the approaches shown can also be transferred analogously to other elements). 16 shows a waveguide 16.2 of length 1 cm realized in a photonic semiconductor chip 16.1 with lateral feed 16.3 with a frequency f and with equidistant coupling points 16.4 at the respective distance of λ 0 /2 with λ 0 = 1550nm (free air wavelength at f 0 = c/λ 0 = 195THz); the coupling points are in 16 shown as a point, but they can also have a certain extent. The coupling points serve to couple the wave out when transmitting, and to couple it in when receiving. The structure of the waveguide is periodic, ie it takes on the same shape between two neighboring coupling points. Therefore, the phase difference Δφ(f) between two neighboring coupling points, which depends on the frequency f used, is constant, so that the phase of the wave emitted at the k-th coupling point, k = 0,...,K-1 with K = 12900, is φ k ( e ) = k Δφ ( e ) = k mod _ 2 π ( Δφ ( e ) ) with k = 0, , K 1
Figure DE102023201147A1_0084
where “mod 2n ” represents the symmetrical modulo function to the modulus 2π, i.e. it maps to the symmetrical range -π,...+π; the modulo formation takes into account that there are generally numerous wavelengths between two coupling points, also in order to achieve the strongest possible dependence of the phase difference on the frequency, which is achieved by the 16 can be achieved (the meanders can - as shown in the picture - go inwards or lie parallel to the surface of the chip). If the phase difference Δφ(f) is an integer multiple of 2π (i.e. a whole number of wavelengths lie between the coupling points), then the beam direction is perpendicular to the waveguide. In the other case, i.e. mod (Δφ(f)) ≠ 0, the result is as in 16 shown an oblique beam direction with angle γ 1 (f) is defined by the fact that the beam length difference ΔI to neighboring coupling points compensates the phase difference mod (Δφ(f)); since the phase difference 2π·ΔI/λ corresponds to the beam length difference ΔI with the free space wavelength λ = c/f and ΔI = sin(γ 1 (f))·λ 0 /2 with λ 0 = c/f 0 , the following applies: 2 π sin ( γ 1 ( e ) ) λ 0 / ( 2 λ ) = π sin ( γ 1 ( e ) ) e / e 0 = mod _ 2 π ( Δφ ( e ) )
Figure DE102023201147A1_0085
and thus γ 1 ( e ) = asin ( mod _ 2 π ( Δφ ( e ) ) / π e 0 / e ) ,
Figure DE102023201147A1_0086
where "asin" represents the inverse sine function. For example, if mod (Δφ) = π/2 and λ = λ 0 , then the angle γ 1 = 30° results. The beam angle applies to both sending and receiving - this also follows from the principle of reciprocity.

Ein kontinuierliches räumliches Scannen wird durch eine kontinuierliche Frequenzänderung realisiert, d. h. auch während der Datenaufnahme eines Pixels ändert sich die Frequenz, und das zumindest näherungsweise linear. Damit resultiert die der Phasenmodulation überlagerte Frequenzänderung nach 5 unmittelbar als Folge des Scannens durch Frequenzänderung. Wie oben erläutert, nimmt die benötigte Abtastfrequenz fs mit der Modulationsbreite B, also der Frequenzänderung während eines Pixels zu, was diese de facto limitiert - bei der hier betrachteten Pixeldauer Tpm = 13.7µs und maximalen Reichweite von knapp 250m sollte ihr Betrag |B| ≤ 2GHz sein (für ein fs ≤ 800MHz). Wenn über 500 Pixel gescannt werden soll (z. B. für horizontale Richtung), dann ist die Frequenz insgesamt um etwa 1THz zu ändern, was etwa 0.5% der mittleren Frequenz f0 = c/λ0 = 195THz (zu Freiluftwellenlänge λ0 = 1550nm) entspricht. Für einen angenommenen Scanbereich von -20°,...,+20° muss sich die Phasendifferenz Δφ zwischen zwei benachbarten Koppelstellen um etwa -0.34π,...,+0.34π, also um etwa 0.68π ändern, was bei 0.5% Frequenzänderung eine hohe frequenzbezogene Sensitivität der Phasendifferenz Δφ erfordert, welche neben einem mäanderförmigen Wellenleiterverlauf auch durch einen Wellenleiter mit hoher Dispersion im benutzten Frequenzbereich realisiert werden kann.Continuous spatial scanning is achieved by a continuous frequency change, ie the frequency changes during the data acquisition of a pixel, and this at least approximately linearly. This results in the frequency change superimposed on the phase modulation according to 5 directly as a result of scanning by changing the frequency. As explained above, the required sampling frequency f s increases with the modulation width B, i.e. the frequency change during a pixel, which de facto limits it - with the pixel duration T pm = 13.7µs and maximum range of just under 250m considered here, its value |B| ≤ 2GHz (for an f s ≤ 800MHz). If more than 500 pixels are to be scanned (e.g. for horizontal direction), then the frequency must be changed by about 1THz overall, which corresponds to about 0.5% of the average frequency f 0 = c/λ 0 = 195THz (at free air wavelength λ 0 = 1550nm). For an assumed scan range of -20°,...,+20°, the phase difference Δφ between two neighboring coupling points must change by about -0.34π,...,+0.34π, i.e. by about 0.68π, which requires a high frequency-related sensitivity of the phase difference Δφ for a 0.5% frequency change, which can be realized not only by a meandering waveguide path but also by a waveguide with high dispersion in the frequency range used.

Zuerst soll nun angenommen werden, dass sich der Strahlwinkel γ1 zeitlich linear über den Bereich -20°,...,+20° ändern soll, also γ 1 ( t ) = A 1 t ,

Figure DE102023201147A1_0087
und dass die Phasendifferenz Δφ(f) im betrachteten kleinen Frequenzbereich konstante Steigung hat: Δφ ( f ) = F 1 ( f f 0 ) + L 2 π mit L ganzzahlig ;
Figure DE102023201147A1_0088
dabei ist berücksichtigt, dass bei der mittleren Frequenz f0 die Strahlrichtung Null sein soll (also mod(Δφ(f0) = 0). Mit Bez. (54) erhält man: π sin ( A 1 t ) f / f 0 = F 1 ( f f 0 )
Figure DE102023201147A1_0089
und somit für den benötigten zeitabhängigen Frequenzverlauf f(t): f ( t ) = f 0 / ( 1 + π sin ( A 1 t ) / ( f 0 F 1 ) ) .
Figure DE102023201147A1_0090
First, it is assumed that the beam angle γ 1 changes linearly over the range -20°,...,+20°, i.e. γ 1 ( t ) = A 1 t ,
Figure DE102023201147A1_0087
and that the phase difference Δφ(f) has a constant slope in the small frequency range considered: Δφ ( e ) = F 1 ( e e 0 ) + L 2 π with L integer ;
Figure DE102023201147A1_0088
It is taken into account that at the average frequency f 0 the beam direction should be zero (i.e. mod (Δφ(f 0 ) = 0). Using (54) we get: π sin ( A 1 t ) e / e 0 = F 1 ( e e 0 )
Figure DE102023201147A1_0089
and thus for the required time-dependent frequency response f(t): e ( t ) = e 0 / ( 1 + π sin ( A 1 t ) / ( e 0 F 1 ) ) .
Figure DE102023201147A1_0090

Für eine Scandauer von 4.5ms (500 teilweise überlappende Pixel im Abstand 9ms) und eine vorgegebene Frequenzänderung von 1THz (→ F1 = 2.13Ts) sind in 17 der zeitliche Verlauf des Strahlwinkels γ1(t) und der Frequenz f(t) dargestellt. Es sei bemerkt, dass die Frequenz f(t) für Senden und Empfangen real einen kleinen Frequenzunterschied hat (durch Frequenzverschiebung von Doppler und Laufzeit), wobei der dadurch bewirkte Strahlwinkelunterschied deutlich unter der Strahlbreite selber liegt.For a scan time of 4.5ms (500 partially overlapping pixels at a distance of 9ms) and a given frequency change of 1THz (→ F 1 = 2.13Ts) 17 the temporal course of the beam angle γ 1 (t) and the frequency f(t) is shown. It should be noted that the frequency f(t) for transmitting and receiving actually has a small frequency difference (due to the frequency shift of Doppler and transit time), whereby the beam angle difference caused by this is significantly less than the beam width itself.

Eine zeitlich lineare Änderung der Strahlwinkels γ1(t) nach Bez. (56) bedeutet bei zeitlich äquidistantem Pixelabstand eine konstante Winkelauflösung über den ganzen Erfassungsbereich. Insbesondere bei nach vorne, also in Fahrtrichtung schauenden Lidarsensoren, kann aber eine unterschiedliche Winkelauflösung vorteilhaft sein: in Fahrtrichtung (γ1 = 0) wird eine höhere Winkelauflösung benötigt als nach außen hin (γ1 = ±20°; γ1 bezieht sich hier also beispielhaft auf horizontale Richtung), d. h. nach außen hin kann eine höhere Scangeschwindigkeit realisiert durch schnellere Frequenzänderung verwendet werden; dies ist beispielhaft in 18 dargestellt. Es sei erwähnt, dass bei schnellerem Scannen auch der vom Lidarstrahl überstrichene Bereich auf einem Objekt größer wird, so dass das über die Erfassungsdauer eines Pixels empfangene Signal an Kohärenz verliert (es werden zu unterschiedlichen Zeiten zumindest teilweise unterschiedliche Punkte vom Objekt erfasst); die reduzierte Kohärenz verringert zum einen leicht die Sensitivität und damit Reichweite, was im äußeren Bereich wegen seinen reduzierten Reichweitenanforderungen aber nicht relevant ist, und zum anderen wird die Dopplergenauigkeit etwas schlechter (weil Betragsspitze in zweidimensionaler Korrelation in Dopplerdimension leicht verschwimmt), was wegen der grundsätzlich sehr hohen Genauigkeit von Doppler, also Relativgeschwindigkeit, aber auch unkritisch ist.A temporally linear change in the beam angle γ 1 (t) according to (56) means a constant angular resolution over the entire detection range with temporally equidistant pixel spacing. However, a different angular resolution can be advantageous, particularly for lidar sensors that look forward, i.e. in the direction of travel: in the direction of travel (γ 1 = 0) a higher angular resolution is required than outwards (γ 1 = ±20°; γ 1 here refers to the horizontal direction, for example), i.e. outwards a higher scanning speed can be achieved by using a faster frequency change; this is shown for example in 18 It should be mentioned that with faster scanning, the area on an object covered by the lidar beam also becomes larger, so that the signal received over the acquisition time of a pixel loses coherence (at least partially different points on the object are acquired at different times); the reduced coherence slightly reduces the sensitivity and thus the range, which is not relevant in the outer area due to its reduced range requirements, and secondly the Doppler accuracy becomes slightly worse (because the magnitude peak in two-dimensional correlation blurs slightly in the Doppler dimension), which is not critical due to the fundamentally very high accuracy of Doppler, i.e. relative speed.

Schon bei konstanter Scangeschwindigkeit nach Bez. (56) ist der Frequenzverlauf nach Bez. (58) zeitlich nicht ganz linear (insbesondere wegen der enthaltenen Sinusfunktion). Durch nicht konstante Scangeschwindigkeit wird die Nichtlinearität des zeitlichen Verlaufs der Frequenz noch deutlich stärker (siehe auch 18). Eine weitere Ursache für einen zeitlich nichtlinearen Frequenzverlauf ist ein stark dispersiver Charakter des Wellenleiters (also linearer Zusammenhang zwischen Phasendifferenz Δφ(f) und Frequenz f nach Bez. (57) nicht mehr gültig). Solche Nichtlinearitäten im zeitlichen Frequenzverlauf über einen Erfassungsscan (also im Beispiel oben 500 Pixel) können auch schon während eines einzelnen Pixels zu einer relevanten Nichtlinearität des Frequenzverlaufs führen, also zu einem Frequenzfehler fr,Q(t), insbesondere mit quadratischer Form nach Bez. (39b). Wie oben vorgestellt, kann ein solcher Frequenzfehler aber über einen entsprechenden Korrekturanteil in den Drehfaktoren dn,m kompensiert werden; im Falle eines quadratischen Fehlers ist nur das Register R2 in Struktur nach 11 entsprechend Bez. (44) anzupassen. Auch eine sich über Pixel ändernde Modulationsbandbreite B (wegen sich ändernder Steigung des Frequenzverlaufs f(t)) kann durch Anpassung dieses Registerwerts berücksichtigt werden - dann korrespondiert die Ausgangsdimension der FFT immer zu gleichen Relativgeschwindigkeiten.Even at a constant scanning speed according to (56), the frequency response according to (58) is not completely linear in time (especially because of the sine function contained therein). The non-linearity of the temporal response of the frequency becomes even stronger due to a non-constant scanning speed (see also 18 ). Another reason for a temporally non-linear frequency response is a strongly dispersive character of the waveguide (i.e. the linear relationship between the phase difference Δφ(f) and the frequency f according to (57) is no longer valid). Such non-linearities in the temporal frequency response over a detection scan (i.e. 500 pixels in the example above) can lead to a relevant non-linearity of the frequency response even during a single pixel, i.e. to a frequency error f r,Q (t), in particular with a quadratic form according to (39b). As presented above, such a frequency error can be compensated for by a corresponding correction component in the rotation factors d n,m ; in the case of a quadratic error, only the register R2 in structure according to 11 according to reference (44). A modulation bandwidth B that changes across pixels (due to a changing slope of the frequency response f(t)) can also be taken into account by adjusting this register value - then the output dimension of the FFT always corresponds to the same relative speeds.

Prinzipiell können fast beliebige Scanverläufe über einen entsprechenden Verlauf der Frequenzänderung realisiert werden - das ist ein großer Vorteil des Scannens über Frequenzänderung. Über Zyklen hinweg kann auch der Erfassungsbereich, insbesondere abhängig von der Verkehrssituation verändert werden; so kann bei geringer Fahrzeuggeschwindigkeit (z. B. Stadtverkehr) ein breiterer Erfassungsbereich von Interesse sein also bei hoher Eigengeschwindigkeit (z. B. Autobahn). Eine Fehljustage des Sensors (statt in Fahrtrichtung schaut Sensor z. B. um 2° nach rechts) kann einfach dadurch berücksichtigt werden, dass der benutzte Frequenzbereich entsprechend angepasst, also im Wesentlichen leicht verschoben wird.In principle, almost any scanning sequence can be realized via a corresponding frequency change sequence - this is a great advantage of scanning via frequency change. The detection range can also be changed over cycles, especially depending on the traffic situation; for example, a wider detection range may be of interest at low vehicle speeds (e.g. city traffic) than at high vehicle speeds (e.g. motorway). Incorrect adjustment of the sensor (instead of in A deviation in the direction of travel (the sensor looks 2° to the right, for example) can be taken into account simply by adjusting the frequency range used accordingly, i.e. essentially shifting it slightly.

Statt dem bisher betrachteten kontinuierlichen Scannen könnte grundsätzlich auch ein schrittweises Scannen verwendet werden, also dass von Pixel zu Pixel die Frequenz geändert wird, innerhalb eines Pixels aber jeweils konstant bleibt (dann könnte auch eine Phasenmodulation nach Stand der Technik mit konstanter Frequenz, also ohne überlagerte Frequenzmodulation angewendet werden). Allerdings würde dieses schrittweise Scannen einige Nachteile mit sich bringen (trotzdem soll es hier als mögliche Realisierungsform nicht ausgeschlossen werden):

  • - Es können keine überlappende Pixel realisiert werden, was bei gegebener Hardware und Zykluszeit zu einer reduzierten Datenaufnahmedauer des einzelnen Pixels führt. Zusätzlich wird die Datenaufnahmezeit noch dadurch verringert, dass das Umschalten der Frequenz eine gewisse Zeit benötigt (insbesondere bis Frequenz auf neuen Wert eingeschwungen ist) und dass danach noch die maximale Laufzeit der Empfangssignale (bei 249.5m maximalere Entfernung etwa 1.67µs) abgewartet werden muss. Bei dem in der bisherigen Auslegung betrachteten zeitlichen Pixelabstand von etwa 9µs bleibt dann etwa nur eine Datenaufnahmezeit von 6µs übrig, was mehr als eine Halbierung im Vergleich zum kontinuierlichen Scannen mit einer Pixeldauer von 13.7µs bedeutet. Hauptnachteil dieser deutlich reduzierten Datenaufnahmezeit pro Pixel ist eine Verringerung der Sensitivität (für obige Verhältnisse etwa um 3.5dB) und damit der Reichweite (etwa um 19%); weniger kritisch ist die reduzierte Auflösung und Genauigkeit der Relativgeschwindigkeitsbestimmung. Noch stärker wird der Verlust, wenn der Pixelabstand z. B. um Faktor 2 geringer gewählt wird, um mit halber Zahl an parallelen Sende-Empfangspfaden auskommen zu können (16 statt 32).
  • - Bei einem reellwertigen Mischer lässt sich nicht das Vorzeichen der Relativgeschwindigkeit bestimmen - die oben dargestellten Ansätze zum Lösen der Mehrdeutigkeit durch nicht bekanntes Vorzeichen der Empfangsfrequenz haben ja auf der überlagerten linearen Frequenzmodulation basiert.
  • - Wenn durch sehr schnelles Scannen (z. B. nach außen hin) die Strahlbreite kleiner als die Strahlbewegung während der Datenaufnahmepause zwischen zwei Pixeln ist, könnte ein in Scanrichtung sehr schmales Objekt übersehen werden.
  • - Ein kontinuierliches Scannen der Frequenz kann einfacher bzw. besser als ein gestuftes realisierbar sein.
  • - Ein kontinuierliches Scannen der Frequenz reduziert ein wenig den Speckle-Effekt (also statistisch variierender Empfangspegel von einem diffusen Reflektor), da der Speckle-Effekt frequenzabhängig ist; zusätzlich wird der Speckle-Effekt auch durch räumliches Scannen leicht reduziert, da sich während der Datenaufnahme eines Pixels die beleuchtete Fläche leicht ändert.
Instead of the continuous scanning considered so far, step-by-step scanning could also be used, i.e. the frequency is changed from pixel to pixel, but remains constant within each pixel (in this case, state-of-the-art phase modulation with a constant frequency, i.e. without superimposed frequency modulation, could also be used). However, this step-by-step scanning would have some disadvantages (but it should not be ruled out here as a possible implementation):
  • - Overlapping pixels cannot be implemented, which, for a given hardware and cycle time, leads to a reduced data recording time for each individual pixel. The data recording time is also reduced by the fact that switching the frequency takes a certain amount of time (particularly until the frequency has settled at the new value) and that the maximum runtime of the received signals must then be waited for (for a maximum distance of 249.5m, around 1.67µs). With the pixel spacing of around 9µs considered in the previous design, this then leaves a data recording time of around 6µs, which is more than half the time compared to continuous scanning with a pixel duration of 13.7µs. The main disadvantage of this significantly reduced data recording time per pixel is a reduction in sensitivity (for the above conditions by around 3.5dB) and thus the range (by around 19%); less critical is the reduced resolution and accuracy of the relative speed determination. The loss is even greater if the pixel spacing is, for example, around 1.67µs. B. is chosen to be a factor of 2 smaller in order to be able to manage with half the number of parallel transmit/receive paths (16 instead of 32).
  • - With a real-valued mixer, the sign of the relative velocity cannot be determined - the approaches presented above to resolve the ambiguity caused by an unknown sign of the receiving frequency were based on superimposed linear frequency modulation.
  • - If very fast scanning (e.g. outward) causes the beam width to be smaller than the beam movement during the data acquisition pause between two pixels, an object that is very narrow in the scanning direction could be overlooked.
  • - Continuous frequency scanning can be easier or better implemented than step-by-step scanning.
  • - Continuous frequency scanning slightly reduces the speckle effect (i.e. statistically varying reception level from a diffuse reflector) because the speckle effect is frequency dependent; in addition, spatial scanning also slightly reduces the speckle effect because the illuminated area changes slightly during data acquisition of a pixel.

Um eine Frequenzänderung zu realisieren, kann z. B. entweder auf die konstante Frequenz einer Laserquelle eine sich ändernde Frequenz aufmoduliert werden (was aber hier wegen dem großen benötigten Frequenzbereich schwierig ist) oder eine Laserquelle mit direkt steuerbarer Frequenz verwendet werden. Gesteuert werden solche Laser typischerweise über eine mechanische Größe (z. B. mit Hilfe von piezoelektrischem Element) oder über eine elektrische Größe (Spannung, Strom). Die Generierung einer elektrischen Steuergröße kann durch digitale Bestimmung auf einer Recheneinheit, z. B. einem Prozessor, und Umwandlung in den analogen Bereich mit Hilfe eines Digital-Analog-Wandlers (DAC) gegebenenfalls gefolgt von einer Tiefpassfilterung realisiert werden; da der Frequenzverlauf und damit der benötigte Verlauf der Steuergröße signaltheoretisch betrachtet recht niederfrequent ist, kann bei der Bestimmung der Eingangswerte des DACs ein Delta-Sigma-Ansatz benutzt werden, was die Anforderungen an den DAC, insbesondere hinsichtlich seiner Auflösung, reduziert. Neben einer direkten Steuerung kann auch eine Regelschleife in Form einer PLL (Phase Locked Loop) verwendet werden. Falls sich mit einer Laserquelle nicht ein genügend großer Frequenzdurchstimmbereich realisieren lässt (um zum einen die für das Scannen benötigte Frequenzänderung von z. B. 1THz zu adressieren und/oder zum anderen Temperatur-, Alterungs- und Toleranzeffekte abzudecken), können mehrere Laserquellen implementiert werden, zwischen denen umgeschaltet und so die jeweils passende Quelle ausgewählt werden kann. Alternativ kann auch die für das Scannen benötigte Frequenzänderung stark reduziert werden, indem für die parallelen Sende-Empfangspfade Wellenleiter mit leicht unterschiedlichem Frequenzverhalten der Phasendifferenz Δφ(f) benachbarte Koppelstellen verwendet werden - bei einer Frequenz f strahlen dann die Wellenleiter in unterschiedliche Richtungen und ihre jeweils realisierten kleinen Scanbereiche schließen sich aneinander an (gegenenfalls mit gewissem Überlappbereich); dieser Ansatz wird später weiter erläutert.In order to implement a frequency change, for example, a changing frequency can either be modulated onto the constant frequency of a laser source (which is difficult here because of the large frequency range required) or a laser source with a directly controllable frequency can be used. Such lasers are typically controlled via a mechanical variable (e.g. using a piezoelectric element) or via an electrical variable (voltage, current). The generation of an electrical control variable can be achieved by digital determination on a computing unit, e.g. a processor, and conversion to the analog range using a digital-analog converter (DAC), possibly followed by low-pass filtering; since the frequency curve and thus the required curve of the control variable is quite low-frequency from a signal theory perspective, a delta-sigma approach can be used to determine the input values of the DAC, which reduces the requirements for the DAC, particularly with regard to its resolution. In addition to direct control, a control loop in the form of a PLL (phase locked loop) can also be used. If a sufficiently large frequency tuning range cannot be achieved with a laser source (on the one hand to address the frequency change of e.g. 1THz required for scanning and/or on the other hand to cover temperature, aging and tolerance effects), several laser sources can be implemented, between which the appropriate source can be selected. Alternatively, the frequency change required for scanning can be greatly reduced by using waveguides with slightly different frequency behavior of the phase difference Δφ(f) adjacent coupling points for the parallel transmit-receive paths - at a frequency f, the waveguides then radiate in different directions and their respective small scan areas adjoin one another (possibly with a certain overlap area); this approach will be explained in more detail later.

Abschließend sei noch erwähnt, dass der Wellenleiter - wie in 16 dargestellt - nicht nur das Scannen, sondern natürlich auch die Fokussierung in seiner zugehörigen Raumrichtung verwirklicht, d. h. in jeder Schnittebene durch den Wellenleiter (genau gesagt durch die Linie, auf der seine Koppelstellen liegen) weist die Welle eine ebene Wellenfront auf.Finally, it should be mentioned that the waveguide - as in 16 shown - not only the scanning, but of course also the focusing in its corresponding spatial direction is realized, ie in every cutting plane through the waveguide (more precisely through the line on which its coupling points lie) the wave has a flat wave front.

Scannen in zweiter RaumrichtungScanning in the second spatial direction

Im Folgenden soll erläutert werden, wie sich Fokussierung und Scannen in der zweiten Raumrichtung (senkrecht zu der vom Wellenleiter definierten Raumrichtung) realisieren lässt. Wie in 19 dargestellt, kann die Fokussierung mit Hilfe einer Linse 19.2 erfolgen; 19 oben zeigt die Anordnung aus der Richtung, in welcher sich der Wellenleiter 19.1 erstreckt. Der Wellenleiter liegt in der Brennebene der Linse, aber versetzt zur Brennlinie (weil später mehrere nebeneinanderliegende Wellenleiter betrachtet werden tritt das auf), so dass die nach Fokussierung durch die Linse eine ebene Wellenfront ausbildende Strahlung gegenüber der optischen Achse der Linse um den Strahlwinkel γ2,1 gekippt ist (in Ansicht nach 19 oben wird für γ2,1 das durch Unterstreichung unterschiedene Symbol γ2,1 verwendet, da dort nur der projizierte Winkel dargestellt ist). Da die Fokussierung in der erster Raumrichtung schon durch den Wellenleiter selber stattfindet, muss die Linse nur noch in der zweiten Raumrichtung, welche zur ersten senkrecht steht, fokussieren, so dass sie in Richtung des Wellenleiters einen konstanten Querschnitt aufweist; dies ist in 19 unten dargestellt. Dort sieht man auch die Definition der beiden Strahlwinkel γ1 und γ2,1 im dreidimensionalen Kontext - es sind also nicht Winkel gemäß Kugelkoordinaten; in 19 unten ist der Brechung der Linse an den beiden Oberflächen vereinfachend in einer Stelle zusammengefasst.In the following, we will explain how focusing and scanning in the second spatial direction (perpendicular to the spatial direction defined by the waveguide) can be realized. As in 19 As shown, focusing can be achieved by means of a lens 19.2; 19 above shows the arrangement from the direction in which the waveguide 19.1 extends. The waveguide is located in the focal plane of the lens, but offset from the focal line (this occurs because several waveguides lying next to each other are considered later), so that the radiation, which forms a plane wavefront after focusing by the lens, is tilted by the beam angle γ 2.1 relative to the optical axis of the lens (in view of 19 above, the symbol γ 2,1 is used for γ 2,1 , which is distinguished by an underline, since only the projected angle is shown there). Since the focusing in the first spatial direction already takes place through the waveguide itself, the lens only has to focus in the second spatial direction, which is perpendicular to the first, so that it has a constant cross-section in the direction of the waveguide; this is in 19 shown below. There you can also see the definition of the two beam angles γ 1 and γ 2,1 in a three-dimensional context - so they are not angles according to spherical coordinates; in 19 Below, the refraction of the lens on both surfaces is summarized in one place for simplicity.

Es sei bemerkt, dass eine Linse mit konstantem Querschnitt in eine Dimension einfacher herzustellen ist als eine Linse ohne diese Eigenschaft, also insbesondere eine Linse für Bündelung in beide Raumrichtungen. Statt einer einzelnen Linse kann auch ein Linsensystem benutzt werden, wobei auch dort die Eigenschaft des in Wellenleiterrichtung konstanten Querschnitts erhalten bleibt.It should be noted that a lens with a constant cross-section in one dimension is easier to manufacture than a lens without this property, in particular a lens for focusing in both spatial directions. Instead of a single lens, a lens system can also be used, whereby the property of a constant cross-section in the waveguide direction is also retained.

Für das Scannen in diese zweite Raumrichtung kann ein für die benutzten Wellenlängen transparentes Material benutzt werden, dessen Dielektrizitätskonstante durch Anlegen einer Spannung (welche ein elektrisches Feld im Material erzeugt) oder Durchfließen eines Stroms (insbesondere um ein magnetisches Feld im Material zu erzeugen) geändert werden kann; Flüssigkristalle und ferroelektrische Materialien sind Beispiele für Materialien mit solchen Eigenschaften. 20 zeigt oben - aus gleicher Perspektive wie 19 oben - eine beispielhafte Anordnung mit dem aus einem solchen Material bestehenden Körper 20.3, der wie die Linse 20.2 in Ausdehnungsrichtung des Wellenleiters 20.1 konstanten Querschnitt (mit Dreiecksform) aufweist und somit eine prismenförmige Gestalt hat; eine seitliche Ansicht, d. h. aus 90° gedrehter Richtung, ist in 20 unten dargestellt - dort sieht man auch die an die beiden Seiten des prismenförmigen Körpers 20.3 angelegte Spannung U, die entweder direkt oder über den durch sie erzeugten Stromfluss durch den Körper seine Dielektrizitätskonstante ändert. Durch Änderung der angelegten Spannung U lässt sich die Differenz γ2,2 zwischen Eingangswinkel γ2,1 und Ausgangswinkel γ2 des Prismas 20.3 und damit der Strahlwinkel γ2 selber ändern, wodurch ein Scannen in der zweiten Raumrichtung, welche zur ersten orthogonal ist, realisiert werden kann. Es sei noch erwähnt, dass der prismenförmige Körper vorzugsweise größer als für den eigentlichen Strahlengang benötigt sein kann, um im relevanten Bereich möglichst homogene elektrische Felder und damit eine räumlich möglichst konstante Dielektrizitätskonstante zu erzielen. Prinzipiell könnte man sich auch überlegen, dass Linse und Prisma einen gemeinsamen Körper mit konstantem Querschnitt in Wellenleiterrichtung bilden; allerdings darf dann die Änderung der Dielektrizitätskonstante nicht über den ganzen Querschnitt konstant sein, weil sonst die Fokussierungseigenschaft und damit auch die Brennebene verändert wird (es würde also ein geeigneter, über den Querschnitt nichtkonstanter Feldverlauf benötigt). Statt diesem prismenförmigen Körper kann auch ein ebenes durchstrahltes Flüssigkristallelement, insbesondere in Form einer eindimensionalen Gitterstruktur, angewendet werden, welches durch Anlegen einer Spannung zwischen Ober- und Unterseite den Strahl in die zweite Raumrichtung umlenkt.For scanning in this second spatial direction, a material that is transparent to the wavelengths used can be used, the dielectric constant of which can be changed by applying a voltage (which generates an electric field in the material) or by passing a current through it (in particular to generate a magnetic field in the material); liquid crystals and ferroelectric materials are examples of materials with such properties. 20 shows above - from the same perspective as 19 above - an exemplary arrangement with the body 20.3 made of such a material, which, like the lens 20.2, has a constant cross-section (with a triangular shape) in the direction of extension of the waveguide 20.1 and thus has a prism-like shape; a side view, ie from a direction rotated by 90°, is shown in 20 shown below - there you can also see the voltage U applied to the two sides of the prism-shaped body 20.3, which changes its dielectric constant either directly or via the current flow through the body generated by it. By changing the applied voltage U, the difference γ 2.2 between the input angle γ 2.1 and the output angle γ 2 of the prism 20.3 and thus the beam angle γ 2 itself can be changed, whereby scanning in the second spatial direction, which is orthogonal to the first, can be realized. It should also be mentioned that the prism-shaped body can preferably be larger than required for the actual beam path in order to achieve as homogeneous electrical fields as possible in the relevant area and thus a spatially constant dielectric constant as possible. In principle, one could also consider that the lens and prism form a common body with a constant cross-section in the waveguide direction; However, the change in the dielectric constant must not be constant over the entire cross-section, because otherwise the focusing properties and thus also the focal plane would be changed (a suitable field profile that is not constant over the cross-section would be required). Instead of this prism-shaped body, a flat liquid crystal element with radiation can also be used, particularly in the form of a one-dimensional grid structure, which deflects the beam in the second spatial direction by applying a voltage between the top and bottom.

Als alternativer Ansatz für Fokussierung und Scannen kann ein Flüssigkristall-Array verwendet werden. In 21 ist eine mögliche Anordnung mit einem transparenten eindimensionalen Array 21.2 mit stabförmigen Elementen 21.3 dargestellt; die obere Ansicht in 21 zeigt das Array von oben, die mittlere Ansicht Anordnung und Strahlengang aus Richtung des Wellenleiters 21.1, und in der unteren, um 90° gedrehten Ansicht sieht man Anordnung und Strahlengang von der Seite. Durch Anlegen einer jeweiligen Spannung an die einzelnen stabförmigen Elemente (zwischen ihrer Ober- und Unterseite) kann die Phasendifferenz zwischen der an einer Seite eingehenden Welle und der an der anderen Seite austretenden Welle geändert werden - die realisierte Phasendifferenz ist abhängig vom Wert der angelegten Spannung. Dadurch kann erreicht werden, dass die Phase der Welle an der Oberseite einen linearen Verlauf aufweist, wodurch gleichzeitig die Fokussierung (also Generierung einer ebenen Welle) und ein vorgegebener Strahlwinkel γ2 realisiert werden kann; über Änderung der angelegten Spannungen kann der Strahlwinkel γ2 und somit das Scannen in dieser zweiten Strahlrichtung realisiert werden.As an alternative approach for focusing and scanning, a liquid crystal array can be used. In 21 a possible arrangement with a transparent one-dimensional array 21.2 with rod-shaped elements 21.3 is shown; the upper view in 21 shows the array from above, the middle view shows the arrangement and beam path from the direction of the waveguide 21.1, and in the lower view, rotated by 90°, you can see the arrangement and beam path from the side. By applying a voltage to the individual rod-shaped elements (between their top and bottom), the phase difference between the wave entering on one side and the wave exiting on the other side can be changed - the phase difference realized depends on the value of the applied voltage. This can ensure that the phase of the wave on the top has a linear progression, whereby simultaneously focusing (i.e. generation of a plane wave) and a given beam angle γ 2 can be realized; by changing the applied voltages, the beam angle γ 2 and thus scanning in this second beam direction can be realized.

Flüssigkristalle haben häufig das Problem, dass sie auf eine Änderung der Ansteuerung träge reagieren, d. h. es dauert recht lange, bis sie auf einen neuen Ansteuerzustand eingeschwungen sind, was bei Verwendung von zweidimensionalen Flüssigkristall-Arrays zum zweidimensionalen Scannen sehr kritisch ist, da dort nach jedem Pixel umgeschaltet werden muss. Im Gegensatz dazu muss hier das eindimensionale Flüssigkristall-Array nur nach einem kompletten Scan in der ersten Raumrichtung, also im Beispiel nach etwa 4.5ms umgeschaltet, was gänzlich unproblematisch ist. Im Vergleich zu einem Flüssigkristall-Array zum zweidimensionalen Scannen hat man hier den weiteren Vorteil, dass viel weniger Ansteuerspannungen benötigt werden (da nur eine Dimension).Liquid crystals often have the problem that they react slowly to a change in control, i.e. it takes a long time until they have settled into a new control state, which is very critical when using two-dimensional liquid crystal arrays for two-dimensional scanning, since switching has to take place after each pixel. In contrast, the one-dimensional liquid crystal array only has to switch after a complete scan in the first spatial direction, i.e. in the example after about 4.5ms, which is completely unproblematic. In comparison to a liquid crystal array for two-dimensional scanning, there is the additional advantage that much less control voltage is required (since there is only one dimension).

Die Zahl der benötigten stabförmigen Flüssigkristallelemente und somit der benötigten Ansteuerspannungen kann durch Einsatz einer zustätzlichen Linse, welche im Wesentlichen die Fokussierung in der zweiten Raumrichtung übernimmt und in Richtung des Wellenleiters wieder konstanten Querschnitt hat, reduziert werden; denn dann muss das Flüssigkristall-Array im Wesentlichen nur die Schwenkung der Strahlrichtung realisieren, was insbesondere bei kleinem Schwenkbereich einen Abstand zulässt, der weit über der Freiraumwellenlänge λ0 = 1550nm liegt.The number of required rod-shaped liquid crystal elements and thus the required control voltages can be reduced by using an additional lens, which essentially takes over the focusing in the second spatial direction and again has a constant cross-section in the direction of the waveguide; because then the liquid crystal array essentially only has to realize the pivoting of the beam direction, which allows a distance that is far above the free space wavelength λ 0 = 1550 nm, especially with a small pivoting range.

Beim oben erläuterten ersten Ansatz mit Linse und steuerbarem Prisma besteht ein Nachteil darin, dass eine hohe Präzision der Linsengeometrie sowie ihres Abstands zum Wellenleiter benötigt wird (andernfalls kommt es zu optischer Verschwimmung beispielsweise durch Verschiebung der Brennebene); die benötigte hohe Präzision führt zu Aufwänden in der Sensorfertigung und/oder erhöhten Teilepreisen wegen geringen mechanischen Toleranzen. Dagegen können beim zweiten, auf einem Flüssigkristall-Array basierenden Ansatz Positionsfehler über entsprechende Ansteuerung der Elemente des Flüssigkristall-Arrays zur Korrektur der korrespondierenden Phasenfehler einfach kompensiert werden; gleiches gilt für Fehler in Position und Querschnitt einer gegebenenfalls zusätzlich verwendeten Linse.The first approach described above with a lens and a controllable prism has the disadvantage that it requires a high degree of precision in the lens geometry and its distance from the waveguide (otherwise optical blurring occurs, for example due to a shift in the focal plane); the high precision required leads to costs in sensor production and/or increased parts prices due to small mechanical tolerances. In contrast, in the second approach based on a liquid crystal array, position errors can be easily compensated for by appropriately controlling the elements of the liquid crystal array to correct the corresponding phase errors; the same applies to errors in the position and cross-section of any additional lens used.

Anstatt des bisher betrachteten transparenten Flüssigkristall-Arrays nach 21 kann auch ein reflektierendes Flüssigkristall-Array verwendet werden; auch für ein reflektierendes Flüssigkristall-Array kann über eine jeweils angelegte Spannung effektiv eine Phasendifferenz zwischen eingehender und ausfallender Welle realisiert werden, was man auch als Änderung des lokalen Ausfallswinkels relativ zum Einfallwinkel sehen kann. Eine entsprechende Anordnung ist in 22 dargestellt; die obere Ansicht zeigt die Anordnung mit Wellenleiter 22.1, einem polarisationsabhängigen Spiegel 22.4 (reflektiert für eine Polarisation und lässt Strahlung für die dazu senkrechte Polarisation durch) und einem eindimensionalen reflektierenden Array 22.2 und mit stabförmigen Elementen 22.3 und mit 90°-Polarisationsdrehung von oben, die mittlere Ansicht Anordnung und Strahlengang aus Richtung des Wellenleiters 22.1, und in der unteren, um 90° gedrehten Ansicht sieht man Anordnung und Strahlengang von der Seite. Der Spiegel 22.4 zur Strahlumlenkung ermöglicht, dass der photonische Chip 22.5, auf dem sich der Wellenleiter befindet, und das Flüssigkristall-Array 22.2 inklusive seiner Ansteuerung auf einer Platine 22.6 befinden können, was Komplexität und Fertigungsaufwand reduziert. Natürlich könnte auch eine Anordnung ohne Spiegel 22.4, also mit direktem Strahlengang zwischen Wellenleiter und reflektierendem Flüssigkristall-Array realisiert werden, für die dann z. B. zwei Platinen benötigt werden.Instead of the previously considered transparent liquid crystal array according to 21 a reflective liquid crystal array can also be used; for a reflective liquid crystal array, a phase difference between the incoming and outgoing wave can also be effectively achieved by applying a voltage, which can also be seen as a change in the local angle of reflection relative to the angle of incidence. A corresponding arrangement is shown in 22 shown; the upper view shows the arrangement with waveguide 22.1, a polarization-dependent mirror 22.4 (reflects for one polarization and lets through radiation for the polarization perpendicular to it) and a one-dimensional reflective array 22.2 and with rod-shaped elements 22.3 and with 90° polarization rotation from above, the middle view shows the arrangement and beam path from the direction of the waveguide 22.1, and the lower view rotated by 90° shows the arrangement and beam path from the side. The mirror 22.4 for beam deflection enables the photonic chip 22.5, on which the waveguide is located, and the liquid crystal array 22.2 including its control to be located on a circuit board 22.6, which reduces complexity and manufacturing outlay. Of course, an arrangement without a mirror 22.4, i.e. with a direct beam path between the waveguide and the reflective liquid crystal array, could also be realized, for which e.g. B. two circuit boards are required.

Zur Umlenkung des Strahls können ein oder mehrere weitere Spiegel eingesetzt werden, z. B. wenn die optische Achse des Senors senkrecht zur Platine liegen soll. One or more additional mirrors can be used to deflect the beam, e.g. if the optical axis of the sensor is to be perpendicular to the circuit board.

Alle weiteren Betrachtungen, welche oben bei der Anordnung mit transparentem Flüssigkristall-Array gemacht wurden, sind auch für die Anordnung mit reflektierendem Flüssigkristall-Array gültig - auch insbesondere, dass Fertigungstoleranzen der optisch relevanten Komponenten und ihrer Anordnung zueinander durch entsprechende Ansteuerung der Elemente des Flüssigkristall-Arrays kompensiert werden können.All further considerations made above for the arrangement with a transparent liquid crystal array are also valid for the arrangement with a reflective liquid crystal array - also in particular that manufacturing tolerances of the optically relevant components and their arrangement relative to one another can be compensated by appropriate control of the elements of the liquid crystal array.

Bisher wurde das Flüssigkristall-Array als eindimensional betrachtet. Bedingt durch Toleranzen (z. B. vom Flüssigkristall-Array selber bei keiner konstanten Dicke oder keinen konstanten optischen Eigenschaften über die Ausdehnung der stabförmigen Elemente) könnte es aber sein, dass in der ersten Raumrichtung (also der vom Wellenleiter definierten Richtung) keine absolut ebene Welle generiert wird. Um dies zu vermeiden, könnten - wie in 23 dargestellt - die stabförmigen Elemente in mehrere einzelne Elemente unterteilt und durch entsprechende Ansteuerung dieser Elemente Phasenfehler kompensiert werden. Allerdings ist ein solches zweidimensionales Flüssigkristall-Array komplexer und benötigt mehr Ansteuerspannungen. Verglichen mit einem zweidimensionalen Flüssigkristall-Array für zweidimensionales Scannen werden hier aber in einer Dimension (in welcher stabförmige Elemente zur Kompensierung von Fehlern unterteilt werden) deutlich weniger Elemente benötigt.Until now, the liquid crystal array was considered to be one-dimensional. Due to tolerances (e.g. of the liquid crystal array itself with no constant thickness or no constant optical properties over the extension of the rod-shaped elements), it could be that no absolutely flat wave is generated in the first spatial direction (i.e. the direction defined by the waveguide). To avoid this, as in 23 shown - the rod-shaped elements are divided into several individual elements and phase errors are compensated by controlling these elements accordingly. However, such a two-dimensional liquid crystal array is more complex and requires more control voltages. Compared to a two-dimensional liquid crystal array for two-dimensional scanning, however, significantly fewer elements are required in one dimension (in which rod-shaped elements are divided to compensate for errors).

Statt einem reflektierenden Flüssigkristall-Array kann auch ein reflektierendes Flüssigkristallelement, insbesondere in Form einer eindimensionalen Gitterstruktur, angewendet werden, welches durch Anlegen einer Spannung den Strahl in die zweite Raumrichtung umlenkt. Dazu muss dann aber der Strahl schon zuvor fokussiert sein; gegenüber der Anordnung in 22 benötigt man dann entweder einen fokussierenden Spiegel (näherungsweise mit parabolischer Form), eine reflektierende Linse (also mit reflektierender Beschichtung auf einer Seite) oder eine Kombination aus Spiegel und Linse, wobei diese Elemente weiterhin in Richtung des Wellenleiters eine konstante Form haben.Instead of a reflective liquid crystal array, a reflective liquid crystal element can also be used, particularly in the form of a one-dimensional grid structure, which deflects the beam in the second spatial direction by applying a voltage. However, the beam must then already be focused beforehand; compared to the arrangement in 22 One then needs either a focusing mirror (approximately parabolic in shape), a reflecting lens (i.e. with a reflective coating on one side) or a combination of mirror and lens, whereby these elements continue to have a constant shape in the direction of the waveguide.

Abschließend sei erwähnt, dass Materialien, deren optischen Eigenschaften sich durch Anlegen einer elektrischen Steuergröße ändern lassen, noch in anderen als den oben erläuterten Anordnungen zur Realisierung des Scannens in der zweiten Raumrichtung eingesetzt werden können.Finally, it should be mentioned that materials whose optical properties can be changed by applying an electrical control variable can be used in arrangements other than those explained above to realize scanning in the second spatial direction.

Anordnung der Wellenleiter und ScanmusterWaveguide arrangement and scanning pattern

Wie oben schon mehrfach erwähnt, gibt es parallele Sende-Empfangspfade, z. B. 32, und damit auch 32 Wellenleiter; wie diese auf dem photonischen Chip zueinander angeordnet und ausgestaltet werden können, soll im Folgenden erläutert werden. Grundsätzlich können diese Wellenleiter eingesetzt werden, um eine zusätzliche Parallelität bei der Erfassung in der ersten Raumrichtung (mit Scannen über Wellenleiter mit Frequenzänderung) und/oder der zweiten Raumrichtung (mit Scannen über Material mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften, z. B. in Form eines Flüssigkristall-Arrays) zu realisieren.As mentioned several times above, there are parallel transmit-receive paths, e.g. 32, and thus also 32 waveguides; how these can be arranged and designed on the photonic chip will be explained below. In principle, these waveguides can be used to realize additional parallelism when detecting in the first spatial direction (by scanning via waveguides with frequency change) and/or the second spatial direction (by scanning via material with electrically controllable optical properties, e.g. in the form of a liquid crystal array).

Zuerst soll nun der Ansatz betrachtet werden, dass Wellenleiter in der Regel für Parallelität, also parallele Erfassung in der zweiten Raumrichtung eingesetzt werden. Wie in 24 dargestellt, sind die 32 Wellenleiter 24.2 dann parallel nebeneinander auf dem photonischen Chip 24.1 angeordnet (ein gegebenenfalls mäanderförmiger Verlauf ist dort aus Darstellungsgründen nicht gezeigt); alle Wellenleiter sind gleichartig gestaltet, so dass sie jeweils gleichen Strahlwinkel γ1 bei gleicher Frequenz realisieren. Abhängig vom Abstand der Wellenleiter können sie bezüglich der zweiten Raumrichtung direkt benachbarte Pixel bzw. Pixellinien oder weiter auseinanderliegende Pixellinien, zwischen denen andere Pixellinien liegen, adressieren; zumindest näherungsweise gilt, dass der Abstand der Wellenleiter zum Abstand der durch sie realisierten Pixellinien proportional ist (wenn man von größeren Winkeln absieht). Zuerst wird ein solcher Abstand der Wellenleiter angenommen, dass sie 32 direkt benachbarte äquidistante Pixellinien realisieren. 25 zeigt, wie dann das zweidimensionale Pixelfeld erschlossen wird; die dabei benutzten Nomenklatur „w,f,u“ ist wie folgt definiert:

  • - w bezeichnet die Nummer des jeweiligen Wellenleiters: w =1,...,32,
  • - f bezieht sich auf das Scannen mit Hilfe der Wellenleiter durch kontinuierliche Frequenzänderung, also auf das kontinuierliche Scannen in der ersten Raumrichtung und somit für Komponente γ1 der Strahlrichtung; dieses kontinuierliche Scannen erschließt alle 500 Pixel über diese erste Raumrichtung, wobei f = 1,...,500 als die Nummer der jeweiligen Frequenz definiert ist (genau gesagt der jeweiligen Mittenfrequenz, da sich innerhalb eines Pixels ja die Frequenz kontinuierlich ändert),
  • - u bezieht sich auf das schrittweise Scannen mit Hilfe eines Material mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften, z. B. in Form eines über Spannungen gesteuerte Flüssigkristall-Arrays, also auf das schrittweise Scannen in der zweiten Raumrichtung und somit für Komponente γ2 der Strahlrichtung; dabei bezeichnet u die Nummer dieses schrittweisen Scannens (und damit der schrittweise geänderten elektrischen Steuergrößen, z. B. der angelegten Spannungen) - nach einem kontinuierlichen Frequenzscan in erster Raumrichtung, der etwa 4.5ms dauert, wird ein Schritt auf eine neues γ2 gemacht, d. h. der nächste kontinuierliche Frequenzscan bei einem neuen γ2 durchgeführt; weil jeder der 32 Wellenleiter schon selber ein unterschiedliches γ2 realisiert, sind für 320 Pixel in diese zweite Raumrichtung, also für 320 unterschiedliche γ2, nur 10 Scanschritte u = 1,...,10 nötig, und von Schritt zu Schritt springt die Strahlrichtung um 32 Pixel.
First, we will consider the approach that waveguides are usually used for parallelism, i.e. parallel detection in the second spatial direction. As in 24 As shown, the 32 waveguides 24.2 are then arranged parallel to one another on the photonic chip 24.1 (a possible meandering course is not shown there for reasons of illustration); all waveguides are designed in the same way so that they each realize the same beam angle γ 1 at the same frequency. Depending on the distance between the waveguides, they can address directly adjacent pixels or pixel lines with respect to the second spatial direction or pixel lines that are further apart and between which other pixel lines lie; at least approximately, the distance between the waveguides is proportional to the distance between the pixel lines they realize (if one ignores larger angles). First, a distance between the waveguides is assumed such that they realize 32 directly adjacent, equidistant pixel lines. 25 shows how the two-dimensional pixel field is then opened up; the nomenclature used “w,f,u” is defined as follows:
  • - w denotes the number of the respective waveguide: w =1,...,32,
  • - f refers to scanning using the waveguides by continuously changing the frequency, i.e. to continuous scanning in the first spatial direction and thus for component γ 1 of the beam direction; this continuous scanning covers all 500 pixels via this first spatial direction, where f = 1,...,500 is defined as the number of the respective frequency (more precisely the respective center frequency, since the frequency changes continuously within a pixel),
  • - u refers to the step-by-step scanning using a material with electrically controllable optical properties, e.g. in the form of a voltage-controlled liquid crystal array, i.e. to the step-by-step scanning in the second spatial direction and thus for component γ 2 of the beam direction; where u denotes the number of this step-by-step scanning (and thus the step-by-step changed electrical control variables, e.g. the applied voltages) - after a continuous frequency scan in the first spatial direction, which lasts about 4.5 ms, a step is made to a new γ 2 , i.e. the next continuous frequency scan is carried out at a new γ 2 ; because each of the 32 waveguides already realizes a different γ 2 itself, only 10 scanning steps u = 1,...,10 are necessary for 320 pixels in this second spatial direction, i.e. for 320 different γ 2 , and the beam direction jumps by 32 pixels from step to step.

Der für diese Anordnung benötigte geringe Abstand der Wellenleiter kann schwierig zu implementieren sein, insbesondere bei einem stark mäanderförmigen Verlauf der Wellenleiter. Alternativ kann man den Abstand um Faktor 32 vergrößern, so dass die Wellenleiter Pixellinien im Abstand von 32 realisieren; dies ist in 26 dargestellt. Beim Scannen in der zweiten Raumrichtung wird pro Schritt nun nur um ein Pixel gesprungen; dies bedeutet eine starke Reduzierung des benötigten Scanbereichs in zweiter Raumrichtung, also über Material mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften, was für einen solchen Ansatz vorteilhaft ist und einfachere bzw. mehr Realisierungsmöglichkeiten eröffnen kann. Eine solche Anordnung erlaubt auch den oben erwähnten Ansatz, dass durch unterschiedliche Wahl der Frequenzmodulationsbandbreite B in benachbarten Scanebenen die Vorzeichenbestimmung der Empfangsfrequenz bei einem reellwertigen Mischer ermöglicht wird, sofern ein Objekt in wenigstens zwei benachbarten Pixeln (also aus benachbarten Scanebenen, d. h. Pixellinien) gesehen wird; über die 10 Scanschritte u = 1,...,10 ist dazu eine alternierende Richtung des kontinuierlichen Frequenzscannens für die erste Raumrichtung anzuwenden, was ein alternierendes Vorzeichen der Modulationsbandbreite B realisiert.The small spacing of the waveguides required for this arrangement can be difficult to implement, especially if the waveguides have a strongly meandering course. Alternatively, the spacing can be increased by a factor of 32 so that the waveguides realize pixel lines at a spacing of 32; this is shown in 26 When scanning in the second spatial direction, only one pixel is jumped per step; this means a strong reduction in the required scanning area in the second spatial direction, i.e. over material with electrically controllable optical properties, which is advantageous for such an approach and can open up simpler or more implementation options. Such an arrangement also allows the approach mentioned above that by choosing different frequency modulation bandwidths B in adjacent scan planes, the sign of the reception frequency in a real-valued mixer is determined, provided an object is seen in at least two adjacent pixels (i.e. from adjacent scan planes, ie pixel lines); over the 10 scan steps u = 1,...,10, an alternating direction of continuous frequency scanning is to be used for the first spatial direction, which realizes an alternating sign of the modulation bandwidth B.

Bisher wurde angenommen, dass die Wellenleiter zumindest näherungsweise äquidistant zueinander liegen, was auch zu äquidistantem Abstand der Pixel in der zweiten Raumrichtung führt. Oft benötigt man aber nur im zentralen Winkelbereich maximale Auflösung, während sie nach außen hin abnehmen kann - auch sind dort größere Lücken zwischen den Pixeln möglich. Dies kann durch eine nichtäquidistante Anordnung der Wellenleiter erreicht werden. Als einfacher Fall wird ein geringer und jeweils gleicher Abstand a für die 16 mittleren Wellenleiter angenommen (derart, dass es zwischen den durch sie generierten Pixellinien keine Lücken gibt), während die jeweils äußeren 8 Wellenleiter doppelten Abstand 2·a untereinander haben und es zwischen ihnen und der Gruppe der 16 mittleren Wellenleiter einen großen Abstand 146·a gibt. Das resultierende zweidimensionale Pixelfeld ist in 27 dargestellt; beim Scannen in der zweiten Raumrichtung wird pro Schritt um 16-fachen Pixelabstand (bezogen auf Pixelabstand im mittleren Bereich) gesprungen. Im oberen und unteren Drittel des Pixelfeldes ist die Erfassung nun nur halb so dicht wie in der Mitte.Until now, it was assumed that the waveguides were at least approximately equidistant from each other, which also leads to equidistant spacing of the pixels in the second spatial direction. Often, however, maximum resolution is only required in the central angular range, while it can decrease towards the outside - larger gaps between the pixels are also possible there. This can be achieved by arranging the waveguides in a non-equidistant manner. As a simple case, a small and equal spacing a is assumed for the 16 middle waveguides (such that there are no gaps between the pixel lines generated by them), while the 8 outer waveguides have twice the spacing 2·a between each other and there is a large spacing 146·a between them and the group of 16 middle waveguides. The resulting two-dimensional pixel field is shown in 27 shown; when scanning in the second spatial direction, each step jumps by 16 times the pixel spacing (relative to the pixel spacing in the middle area). In the upper and lower third of the pixel field, the detection is now only half as dense as in the middle.

Im Gegensatz zu den bisherigen Anordnungen können die Wellenleiter auch für Parallelität, also parallele Erfassung in der ersten Raumrichtung eingesetzt werden. Dazu werden die Wellenleiter unterschiedlich gestaltet, so dass sie bei gleicher Frequenz unterschiedliche Strahlwinkel γ1 realisieren; die weiterhin parallel zueinander angeordneten Wellenleiter (wie in 24) können auch weiterhin Koppelstellen in gleichem Abstand haben, nur ist dann z. B. die Länge des mäanderförmigen Wellenleiters zwischen zwei Koppelstellen jeweils unterschiedlich zu gestalten. 28 zeigt das resultierende zweidimensionale Pixelfeld für einen geringen und konstanten Abstand der Wellenleiter; der Abstand ist dabei so gewählt, dass die realisierten Pixellinien in zweite Raumrichtung jeweils ein Pixel Abstand haben. Die unterschiedliche Ausgestaltung der 32 Wellenleiter ist so gewählt, dass sie bei gleicher Frequenz eine um jeweils 16 Pixel unterschiedliche Strahlrichtungskomponente γ1 (in der erster Raumrichtung) realisieren; um die komplette erste Raumrichtung zu erfassen (jetzt aus 16·32 = 512 Pixel bestehend), ist also nur noch ein kontinuierliches Frequenzscannen über 16 Pixel nötig, so dass sich die Frequenznummer nur noch über den Bereich f = 1,...,16 erstreckt. Das schrittweise Scannen in zweite Raumrichtung (mit Hilfe eines Materials mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften) muss nun komplett diese Raumrichtung, also alle 320 Pixel abdecken, so dass 320 Schritte nötig sind. Wie man in 28 erkennen kann, hat das zweidimensionale Pixelfeld nun nicht mehr genau eine rechteckförmige Gestalt, sondern bildet ein Parallelogramm. Eine näherungsweise rechteckförmige Gestalt mit leichter Drehung kann dadurch realisiert werden, dass das bei jedem der 320 Schritte für die zweite Raumrichtung der benutzte Frequenzbereich zum Scannen in erste Raumrichtung leicht verändert wird. Die leichte Drehung dieses Rechtecks lässt sich dadurch kompensieren, dass der photonische Chip entsprechend gedreht auf der Platine anordnet oder schon auf dem Chip selbst die Anordnung der Wellenleiter gedreht wird.In contrast to the previous arrangements, the waveguides can also be used for parallelism, i.e. parallel detection in the first spatial direction. For this purpose, the waveguides are designed differently so that they realize different beam angles γ 1 at the same frequency; the waveguides that are still arranged parallel to each other (as in 24 ) can still have coupling points at the same distance, but then, for example, the length of the meandering waveguide between two coupling points must be designed differently. 28 shows the resulting two-dimensional pixel field for a small and constant distance between the waveguides; the distance is chosen so that the pixel lines realized in the second spatial direction are each one pixel apart. The different design of the 32 waveguides is chosen so that at the same frequency they realize a beam direction component γ 1 (in the first spatial direction) that differs by 16 pixels; in order to cover the entire first spatial direction (now consisting of 16·32 = 512 pixels), only a continuous frequency scan over 16 pixels is necessary, so that the frequency number only extends over the range f = 1,...,16. The step-by-step scanning in the second spatial direction (with the help of a material with electrically controllable optical properties) must now completely cover this spatial direction, i.e. all 320 pixels, so that 320 steps are necessary. As can be seen in 28 can be seen, the two-dimensional pixel field no longer has a precise rectangular shape, but forms a parallelogram. An approximately rectangular shape with a slight rotation can be achieved by slightly changing the frequency range used for scanning in the first spatial direction for each of the 320 steps for the second spatial direction. The slight rotation of this rectangle can be compensated by arranging the photonic chip accordingly on the circuit board or by rotating the arrangement of the waveguides on the chip itself.

Vorteil dieses Ansatzes ist, dass entweder der zum Scannen in erste Raumrichtung benötigte Frequenzbereich viel kleiner ist (etwa um Faktor 32, was einen Vorteil für die Realisierung der Laserquelle darstellt), oder dass bei gleichem Frequenzbereich wie bisher der Wellenleiter eine viel geringere frequenzbezogene Sensitivität der Phasendifferenz Δφ benötigt, wodurch seine Länge zwischen zwei Koppelstellen viel kürzer wird, wodurch sich auch seine Leitungsverluste reduzieren; allerdings ist dann die Frequenzänderung pro Pixel viel höher, so dass ein kontinuierliches Scannen zu einer zu hohen Abtastfrequenz führen könnte, so dass dann eine schrittweise Frequenzänderung nötig wäre.The advantage of this approach is that either the frequency range required for scanning in the first spatial direction is much smaller (by a factor of about 32, which is an advantage for the realization of the laser source), or that with the same frequency range as before, the waveguide requires a much lower frequency-related sensitivity of the phase difference Δφ, which makes its length between two coupling points much shorter, which also reduces its line losses; however, the frequency change per pixel is then much higher, so that continuous scanning could lead to a sampling frequency that is too high, so that a step-by-step frequency change would then be necessary.

Ein Nachteil dieses Ansatzes ist, dass durch die erhöhte Zahl an Schritten ein etwas höherer Overhead für das Umkonfigurieren der Steuergrößen zum Scannen anfällt (für das Material mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften und für die Frequenzmodulation der Laserquelle).A disadvantage of this approach is that the increased number of steps results in a slightly higher overhead for reconfiguring the control variables for scanning (for the material with electrically controllable optical properties and for the frequency modulation of the laser source).

Dieser Nachteil des erhöhten Overheads für das Umkonfigurieren der Steuergrößen zum Scannen und auch das oben erwähnte Problem der zu hohen Abtastfrequenz lassen sich dadurch beheben, dass statt dem schrittweisen Scannen in zweite Raumrichtung ein kontinuierliches Scannen durchgeführt wird - die Steuergröße für das Material mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften wird also nicht schrittweise, sondern kontinuierlich geändert. Während eines kontinuierlichen Scans über den gesamten Erfassungsbereich in zweite Raumrichtung bewegt sich das kontinuierliche Scannen über Frequenz in erste Raumrichtung nur ein Pixel weiter; dies ist in 29 dargestellt. Insgesamt werden also 16 kontinuierliche Scans in zweite Raumrichtung benötigt. Durch diesen Ansatz ist das kontinuierliche Frequenzscannen viel langsamer, so dass bei Verwendung eines einfachen Wellenleiters mit geringer frequenzbezogener Sensitivität der Phasendifferenz Δφ die zeitliche Frequenzänderung (also die der Phasenmodulation überlagerte näherungsweise lineare Frequenzmodulation) klein genug ist, um mit einer moderaten Abtastfrequenz auszukommen. Bei diesem kontinuierlichen Scannen in zweite Raumrichtung könnte man das Frequenzscannen für erste Raumrichtung auch schrittweise gestalten, also während jedem Scan in zweite Raumrichtung die Frequenz konstant halten und danach für den nächsten Scan in zweite Raumrichtung auf einen neuen Wert stellen; man würde also dann 16 unterschiedliche Frequenzen verwenden. Statt einer Laserquelle, die in der Frequenz verstellt werden kann, könnten auch z. B. 16 Laserquellen mit unterschiedlichen konstanten Frequenzen benutzt werden, wobei dann zwischen diesen Laserquellen umgeschaltet würde.This disadvantage of the increased overhead for reconfiguring the control variables for scanning and also the above-mentioned problem of the excessively high sampling frequency can be eliminated by performing continuous scanning instead of step-by-step scanning in the second spatial direction - the control variable for the material with electrically controllable optical properties is therefore not changed step-by-step, but continuously. During a continuous scan over the entire detection area range in the second spatial direction, the continuous scanning over frequency in the first spatial direction moves only one pixel further; this is in 29 shown. A total of 16 continuous scans in the second spatial direction are therefore required. This approach makes continuous frequency scanning much slower, so that when using a simple waveguide with low frequency-related sensitivity of the phase difference Δφ, the temporal frequency change (i.e. the approximately linear frequency modulation superimposed on the phase modulation) is small enough to manage with a moderate sampling frequency. With this continuous scanning in the second spatial direction, the frequency scanning for the first spatial direction could also be designed step by step, i.e. the frequency could be kept constant during each scan in the second spatial direction and then set to a new value for the next scan in the second spatial direction; this would then use 16 different frequencies. Instead of one laser source whose frequency can be adjusted, 16 laser sources with different constant frequencies could also be used, for example, and switching would then be carried out between these laser sources.

Das kontinuierliche Scannen in zweite Raumrichtung kann mit nicht konstanter Scangeschwindigkeit erfolgen, um beispielsweise bei einem in Fahrtrichtung schauenden Lidarsensor eine höhere Winkelauflösung in Fahrtrichtung zu realisieren als zu den Rändern des Erfassungsbereich hin.Continuous scanning in a second spatial direction can be carried out at a non-constant scanning speed in order to achieve, for example, a higher angular resolution in the direction of travel for a lidar sensor facing in the direction of travel than towards the edges of the detection area.

Natürlich kann die parallele Erfassung durch die 32 Wellenleiter auch auf beide Raumrichtungen aufgeteilt werden, um die resultierenden Vorteile zu kombinieren (zu dann natürlich reduziertem Umfang der Vorteile).Of course, the parallel detection by the 32 waveguides can also be split into both spatial directions in order to combine the resulting advantages (at a reduced level of advantage, of course).

Der Ansatz mit mehreren unterschiedlichen Wellenleitern für unterschiedliche Strahlrichtungsbereiche in erster Raumrichtung kann bei einfacheren Lidarsystemen mit weniger Pixeln auch so realisiert werden, dass es insbesondere nur einen Sende-Empfangspfad gibt, der auf mehrere Wellenleiter umgeschaltet werden kann; dadurch wird insbesondere der benötigte Frequenzdurchstimmbereich der Laserquelle reduziert.The approach with several different waveguides for different beam direction ranges in the first spatial direction can also be implemented in simpler lidar systems with fewer pixels in such a way that there is only one transmit-receive path that can be switched to several waveguides; this reduces in particular the required frequency tuning range of the laser source.

Alternative Ansätze für Scannen in zweite RaumrichtungAlternative approaches for scanning in the second spatial direction

Bisher wurde für das Scannen in zweite Raumrichtung die Verwendung eines Materials mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften angenommen. Selbstverständlich sind auch andere Ansätze denkbar.So far, the use of a material with electrically controllable optical properties has been assumed for scanning in the second spatial direction. Of course, other approaches are also conceivable.

Im vorhergehenden Beispiel des kontinuierlichen Scannens in zweite Raumrichtung (also dem Scanmuster nach 29) könnte beispielsweise auch ein mechanischer Ansatz benutzt werden (z. B. mit rotierendem Spiegel oder Prisma).In the previous example of continuous scanning in the second spatial direction (i.e. the scan pattern according to 29 ), for example, a mechanical approach could also be used (e.g. with a rotating mirror or prism).

Die Scanmuster nach 25-27 mit schrittweisem Schalten in der zweiten Raumrichtung könnten dadurch realisiert werden, dass an jedem der 32 parallelen Sende-Empfangspfade nicht nur ein Wellenleiter, sondern z. B. 10 Wellenreiter liegen, zwischen denen umgeschaltet werden kann; man hat dann eine Anordnung mit 320 nebeneinanderliegenden Wellenleitern, von denen während eines Frequenzscans für erste Raumrichtung jeweils nur 32 benutzt werden. Es sei noch erwähnt, dass man bei einem solchen Ansatz zum Umschalten meist kaskadierte Einfachschalter (also mit zwei Eingängen und einem Ausgang) benutzt, so dass die gesamte Schaltmatrix dann eine Zweierpotenz an Eingängen, also z. B. 8 hat, was im obigen Beispiel 256 Wellenleiter und somit 256 Pixel in zweite Raumrichtung bedeuten würde. Sollen die Pixel in zweite Raumrichtung nach außen hin weniger dicht liegen, also größeren Winkelabstand haben, dann ist der Abstand der nebeneinanderliegenden Wellenleiter nach außen hin zu erhöhen. Liegen die Pixel nach außen hin weniger dicht, dann kann es zur Vermeidung von Erfassungslücken generell (also nicht nur in diesem Ausführungsbeispiel) vorteilhaft sein, wenn die Strahlbreite in der jeweiligen Raumrichtung nach außen hin zunimmt, was häufig schon inhärent durch optische Fokussierungsfehler gegeben ist oder andernfalls in diesem Beispiel durch Lage der Wellenleiter außerhalb der Brennebene realisiert werden kann.The scan patterns after 25-27 with step-by-step switching in the second spatial direction could be achieved by having not just one waveguide on each of the 32 parallel transmit-receive paths, but for example 10 waveguides between which switching can be carried out; this would give an arrangement with 320 waveguides lying next to one another, of which only 32 are used during a frequency scan for the first spatial direction. It should also be mentioned that with such an approach for switching, cascaded single switches (i.e. with two inputs and one output) are usually used, so that the entire switching matrix then has a power of two of inputs, i.e. 8, which in the above example would mean 256 waveguides and thus 256 pixels in the second spatial direction. If the pixels in the second spatial direction are to be less densely spaced outwards, i.e. have a larger angular distance, then the distance between the adjacent waveguides must be increased towards the outside. If the pixels are less dense towards the outside, then in order to avoid detection gaps it can generally (i.e. not only in this embodiment) be advantageous if the beam width increases outwards in the respective spatial direction, which is often already inherently given by optical focusing errors or can otherwise be realized in this example by positioning the waveguides outside the focal plane.

Anschließend sei noch erwähnt, dass für alle obigen Ansätze die zwei zueinander senkrecht stehenden Raumrichtungen vorteilhafterweise in horizontale und vertikale Erfassungsrichtung gelegt werden, also sind quasi Azimut und Elevation zugeordnet, wobei - wie oben schon erwähnt - die beiden Strahlrichtungskomponenten γ1 und γ2 nicht der Definition von Azimut und Elevation in Kugelkoordinaten entsprechen. Grundsätzlich sind beide Zuordnungen möglich, d. h. beide Raumrichtungen können für die vertikale oder die horizontale Erfassungsrichtung benutzt werden; bedingt durch unterschiedlichen Erfassungsbereich und/oder unterschiedliche Auflösung kann es eine vorteilhafte Zuordnung geben.It should also be mentioned that for all of the above approaches, the two spatial directions that are perpendicular to each other are advantageously placed in the horizontal and vertical detection direction, i.e. azimuth and elevation are assigned, whereby - as already mentioned above - the two beam direction components γ 1 and γ 2 do not correspond to the definition of azimuth and elevation in spherical coordinates. In principle, both assignments are possible, ie both spatial directions can be used for the vertical or horizontal detection direction; depending on the different detection range and/or different resolution, there may be an advantageous assignment.

Bestimmung von WinkelfehlernDetermination of angular errors

Die Strahlrichtung mit den Komponenten γ1 und γ2 hängt von den Steuergrößen und den Hardwareeigenschaften ab, insbesondere von:

  • - Zusammenhang zwischen Strahlwinkel γ1 des Wellenleiter und der Frequenz,
  • - Zusammenhang zwischen Laserfrequenz und ihrer Steuergröße,
  • - Zusammenhang zwischen Strahlwinkel γ2 und der oder den Steuergrößen für das Material mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften.
The beam direction with the components γ 1 and γ 2 depends on the control variables and the hardware properties, in particular on:
  • - Relationship between beam angle γ 1 of the waveguide and the frequency,
  • - Relationship between laser frequency and its control variable,
  • - Relationship between beam angle γ 2 and the control variable(s) for the material with electrically controllable optical properties.

Solche Zusammenhänge können insbesondere von Sensor zu Sensor, über Temperatur und über Alterung variieren. Für eine korrekte Erfassung der Umgebung müssen diese Zusammenhänge genau bekannt sein, ansonsten kommt es zu Winkelfehlern (gemessener und tatsächlicher Winkel stimmen nicht überein), also insbesondere zu verzerrten und verschobenen Erfassungsbildern. Während man die Variationen zwischen den Sensoren initial in der Produktion bestimmen kann, ist das für Temperaturabhängigkeiten oft nicht realisierbar (da sonst Vermessungsaufwand in Produktion zu hoch wird), und Alterungseffekte lassen sich prinzipbedingt nur während der Lebenszeit eines Sensors bestimmen. Deshalb wird ein Verfahren benötigt, das Winkelfehler während des Betriebs bestimmen kann; darauf basierend kann man sie über geänderte Ansteuerung, also geänderte Wahl der Steuergrößen kompensieren.Such relationships can vary from sensor to sensor, over temperature and over aging. In order to correctly record the environment, these relationships must be known precisely, otherwise angle errors will occur (measured and actual angles do not match), in particular distorted and shifted recording images. While the variations between the sensors can be determined initially in production, this is often not possible for temperature dependencies (as otherwise the measurement effort in production would be too high), and aging effects can, in principle, only be determined during the lifetime of a sensor. Therefore, a method is needed that can determine angle errors during operation; based on this, they can be compensated for by changing the control, i.e. changing the choice of control variables.

Zusätzlich zu Winkelfehlern des Sensors durch geänderte Hardwareeigenschaften kann der Sensor auch noch eine Fehlausrichtung im Fahrzeug haben (insbesondere bedingt durch mechanische Toleranzen, Fahrzeugbeladung und Alterungseffekte). Eine solche Fehlausrichtung wirkt sich konstant über alle Erfassungsrichtungen der zugehörigen Raumrichtung aus, während die hardwarebedingten Abbildungsfehler winkelabhängig sein können.In addition to angular errors of the sensor due to changed hardware properties, the sensor can also be misaligned in the vehicle (particularly due to mechanical tolerances, vehicle loading and aging effects). Such misalignment has a constant effect across all detection directions of the associated spatial direction, while the hardware-related imaging errors can be angle-dependent.

Nun soll für in Fahrtrichtung schauende Sensoren erläutert werden, wie Abbildungsfehler ermittelt werden können. Von Radarsensoren ist bekannt, dass Winkelfehler (insbesondere durch Fehlausrichtung) dadurch bestimmt werden können, dass die gemessene radiale Relativgeschwindigkeit von stationären Objekten mit der Eigengeschwindigkeit verglichen werden. Der Radarsensor misst die radiale Komponente der Relativbewegung eines Objekts; ein stationäres Objekt bewegt sich zum Sensor relativ und in paralleler Richtung mit der Fahrzeugeigengeschwindigkeit vego zu, so dass für die gemessene radiale Komponente vm dieser Bewegung - wie in 30 dargestellt - noch mit dem Kosinus des Azimutwinkels α des stationären Objekts zu multiplizieren ist: v m = v ego cos ( α ) .

Figure DE102023201147A1_0091
Now we will explain how imaging errors can be determined for sensors looking in the direction of travel. It is known from radar sensors that angular errors (especially due to misalignment) can be determined by comparing the measured radial relative speed of stationary objects with the vehicle's own speed. The radar sensor measures the radial component of the relative movement of an object; a stationary object moves relative to the sensor and in a parallel direction at the vehicle's own speed v ego , so that for the measured radial component v m of this movement - as in 30 shown - still has to be multiplied by the cosine of the azimuth angle α of the stationary object: v m = v ego cos ( α ) .
Figure DE102023201147A1_0091

Diese Beziehung gilt allerdings nur unter dem Elevationswinkel Null; da Radarsensoren nur einen kleinen Erfassungsbereich in Elevation um etwa Null haben und die obige Beziehung mit sehr guter Näherung auch für kleine Elevationswinkel gilt, wird bei Radarsensoren meist nur sie benutzt. Weist der Radarsensor eine Fehlausrichtung auf, so entspricht der vom Sensor gemessene Azimutwinkel αm nicht dem realen Azimutwinkel α, d. h. die erwartete Messgeschwindigkeit vego·cos(αm) entspricht nicht der real gemessenen Geschwindigkeit vego·cos(α). Den realen Winkel α kann man grundsätzlich mit Hilfe der Bez. (59) bestimmen und die Differenz zum gemessenen Winkel stellt dann die Fehlausrichtung dar. Dabei ist allerdings noch zu berücksichtigen, dass Radarsensoren häufig nur für kleine Azimutwinkelbereiche Objekte erfassen (zumindest in guter Qualität), der Kosinus für kleine Winkel (also um Null herum) sehr flach ist und die selbst vom Fahrzeug gemessene und dem Sensor mitgeteilte Eigengeschwindigkeit in der Regel keine gute Qualität hat. Deshalb wird eine Parabelregression (Kosinus entspricht für kleine Werte einer Parabel) über die gemessenen Relativgeschwindigkeiten vmm) vieler stationärer Objekte durchgeführt und aus der Parabelverschiebung ergibt sich dann der Winkel der Fehlausrichtung.However, this relationship only applies at an elevation angle of zero; since radar sensors only have a small detection range at elevation around zero and the above relationship also applies to small elevation angles with a very good approximation, this is usually the only one used for radar sensors. If the radar sensor is misaligned, the azimuth angle α m measured by the sensor does not correspond to the real azimuth angle α, i.e. the expected measurement speed v ego ·cos(α m ) does not correspond to the real measured speed v ego ·cos(α). The real angle α can basically be determined using the relation (59) and the difference to the measured angle then represents the misalignment. However, it must also be taken into account that radar sensors often only detect objects for small azimuth angle ranges (at least in good quality), the cosine for small angles (i.e. around zero) is very flat and the own speed measured by the vehicle and communicated to the sensor is generally not of good quality. Therefore, a parabolic regression (cosine corresponds to a parabola for small values) is carried out over the measured relative velocities v mm ) of many stationary objects and the angle of misalignment is then obtained from the parabolic shift.

Ein kohärentes Lidarsystem kann wie ein Radarsystem direkt den Doppler, also die radiale Relativgeschwindigkeit messen (beide Systeme arbeiten kohärent und unterscheiden sich de facto nur im Frequenzbereich). Somit lässt sich der obige Ansatz auf Lidarsysteme übertragen. Für Lidarsysteme sind neben Fehlausrichtung auch winkelabhängige Abbildungsfehler durch geänderte Hardwareeigenschaften zu erkennen, und das in horizontale und vertikale Raumrichtung; statt Bez. (59) wird also der Zusammenhang benötigt, welcher die Strahlrichtungskomponente α in horizontaler Raumrichtung sowie die Strahlrichtungskomponente β in vertikaler Raumrichtung berücksichtigt und in 31 abgeleitet ist: v m = v ego sqrt ( 1 sin 2 ( α ) sin 2 ( β ) ) .

Figure DE102023201147A1_0092
A coherent lidar system, like a radar system, can directly measure the Doppler, i.e. the radial relative velocity (both systems work coherently and de facto differ only in the frequency range). Thus, the above approach can be transferred to lidar systems. For lidar systems, in addition to misalignment, angle-dependent imaging errors can also be detected by changing hardware properties, and this in the horizontal and vertical spatial direction; instead of relation (59), the relationship is required, which takes into account the beam direction component α in the horizontal spatial direction and the beam direction component β in the vertical spatial direction and in 31 is derived from: v m = v ego sqrt ( 1 sin 2 ( α ) sin 2 ( β ) ) .
Figure DE102023201147A1_0092

Wenn einer der beiden Winkel Null ist, ergibt sich mit Hilfe von cos2(γ) + sin2(γ) = 1: v m = v ego cos ( α ) f u ¨ β = 0 ,

Figure DE102023201147A1_0093
v m = v ego cos ( β ) f u ¨ α = 0 ,
Figure DE102023201147A1_0094
was auch zur obigen Bez. (59) korrespondiert. Für kleine Betragswerte der Winkel α und β gilt mit sehr guter Näherung: v m = v ego cos ( α ) cos ( β ) f u ¨ r kleine  | α |  und  | β | .
Figure DE102023201147A1_0095
If one of the two angles is zero, using cos 2 (γ) + sin 2 (γ) = 1 we get: v m = v ego cos ( α ) e u ¨ r β = 0 ,
Figure DE102023201147A1_0093
v m = v ego cos ( β ) e u ¨ r α = 0 ,
Figure DE102023201147A1_0094
which also corresponds to the above equation (59). For small values of the angles α and β, the following applies with very good approximation: v m = v ego cos ( α ) cos ( β ) e u ¨ r small | α | and | β | .
Figure DE102023201147A1_0095

Gemäß den Bez. (60) und (62c) hängt die gemessene Relativgeschwindigkeit von beiden Winkeln α und β des jeweiligen Pixels ab; deshalb kann man aus einem Pixel bei Unkenntnis der Winkelfehler in beiden Raumrichtungen diese nicht bestimmen. Allerdings sind die Winkelfehler in beiden Raumrichtungen voneinander unabhängig (sie werden nur durch Hardwareeigenschaften bzw. Steuergrößen für die jeweilige Raumrichtung bestimmt); bei einem Pixelfeld der Größe 500x320 hat man dann insgesamt 820 Fehlergrößen (wenn man den Extremfall annimmt, dass in den beiden Raumrichtungen jeweils die Fehler benachbarter Pixel unabhängig sind). Hätte man in jedem Pixel ein stationäres Objekt, dann hätte man 500·320 Messwerte, um nur 820 Fehlergrößen zu bestimmen, also viel mehr als nötig (820 Messwerte würden ausreichen). Tatsächlich hat man einerseits eine geringere Zahl an Pixeln mit stationären Objekten, andererseits aber sind innerhalb einer Raumrichtung die Fehler benachbarter Pixel nicht unabhängig, sondern man kann den Verlauf des Winkelfehlers über eine Fehlerkurve mit wenigen Parametern (z. B. ein Polynom, oder mehrere Abschnitte mit linearem oder parabelförmigem Verlauf) genügend genau beschreiben, so dass nur diese wenigen unbekannten Parameter zu bestimmen sind; dafür hat man typischerweise genügend Messwerte pro Erfassungszyklus - und falls nötig, kann man die Bestimmung auch über mehrere oder viele Zyklen erweitern, da Temperatur- und Alterungseffekte vergleichsweise langsam verlaufen.According to equations (60) and (62c), the measured relative speed depends on both angles α and β of the respective pixel; therefore, if the angular errors in both spatial directions are not known, these cannot be determined from a pixel. However, the angular errors in both spatial directions are independent of each other (they are only determined by hardware properties or control variables for the respective spatial direction); for a pixel field of size 500x320, there are then a total of 820 error sizes (if one assumes the extreme case that the errors of neighboring pixels are independent in the two spatial directions). If there were a stationary object in each pixel, then one would have 500·320 measured values to determine only 820 error sizes, i.e. much more than necessary (820 measured values would be sufficient). In fact, on the one hand, there are fewer pixels with stationary objects, but on the other hand, the errors of neighboring pixels are not independent within a spatial direction. Instead, the course of the angular error can be described with sufficient accuracy using an error curve with a few parameters (e.g. a polynomial, or several sections with a linear or parabolic course) so that only these few unknown parameters need to be determined; for this, there are typically enough measured values per acquisition cycle - and if necessary, the determination can also be extended over several or many cycles, since temperature and aging effects occur comparatively slowly.

Stationäre Reflektionen bekommt man sehr zuverlässig von der Straßenoberfläche im näheren Bereich; sie decken einen großen bzw. den ganzen Bereich in die erste Raumrichtung ab. Weil der Sensor die Entfernung r der Reflektionen der Straßenoberfläche misst und die Einbauhöhe hsen bekannt ist, ist auch der reale Winkel β in der vertikalen Raumrichtung bekannt, für den gemäß 31 gilt: sin ( β ) = h sen / r .

Figure DE102023201147A1_0096
Stationary reflections are obtained very reliably from the road surface in the near area; they cover a large or the entire area in the first spatial direction. Because the sensor measures the distance r of the reflections from the road surface and the installation height h sen is known, the real angle β in the vertical spatial direction is also known, for which 31 applies: sin ( β ) = h sen / r .
Figure DE102023201147A1_0096

Über Beziehung (60) bzw. (62c), in denen es damit nur noch eine Unbekannte gibt, lässt sich dann der Verlauf des Winkelfehlers für horizontale Raumrichtung α bestimmen, wobei man bei typischerweise gegebenen kleinen Elevationswinkeln und damit bei Verwendung von Bez. (62c) nach Division mit cos(β) über Straßenreflektionen von unterschiedlichen β (also aus unterschiedlichen Entfernungen) einfach mitteln kann, bevor man aus dem sich ergebenden Verlauf in horizontale Raumrichtung α den Winkelfehler ermittelt. Sind die Winkelfehler in horizontaler Raumrichtung α und damit zu jedem Pixel den tatsächlichen Wert von α bekannt, dann lässt sich aus jedem Pixel (also auch denen, die nicht der Straßenoberfläche zuzuordnen sind) der Winkelfehler in vertikale Raumrichtung β bestimmen (es gibt ja dann nur noch eine Unbekannte in Bez. (60) bzw. (62c)).Using relation (60) or (62c), in which there is now only one unknown, the course of the angular error for the horizontal spatial direction α can then be determined. For typically given small elevation angles and thus when using relation (62c), after division by cos(β), one can simply average over road reflections of different β (i.e. from different distances) before determining the angular error from the resulting course in the horizontal spatial direction α. If the angular errors in the horizontal spatial direction α and thus the actual value of α for each pixel are known, then the angular error in the vertical spatial direction β can be determined from each pixel (i.e. including those that cannot be assigned to the road surface) (there is then only one unknown in relation (60) or (62c)).

Für die Bestimmung der Winkelfehler mit Hilfe von stationären Objekten wird die Fahrzeugeigengeschwindigkeit vego in hoher Genauigkeit benötigt, welche meist von der selbst vom Fahrzeug gemessenen und dem Sensor mitgeteilten Eigengeschwindigkeit nicht gewährleistet ist. Deshalb muss der Lidarsensor die Eigengeschwindigkeit selbst bestimmen. Im einfachsten Fall geschieht das dadurch, dass das Maximum der gemessenen radialen Relativgeschwindigkeiten bestimmt wird, denn gemäß Bez. (60) kann die gemessene Relativgeschwindigkeit maximal die Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs annehmen - dies ist in Fahrtrichtung der Fall (also bei α = β = 0°). Allerdings setzt dieser Ansatz voraus, dass es in Fahrtrichtung oder zumindest nahe dazu stationäre Reflektionen gibt und dass die Relativgeschwindigkeitsmessung sehr genau ist (also insbesondere nicht verrauscht durch schlechtes Signal-zu-Rauschverhältnis). Wie oben erwähnt, kann der Verlauf der Winkelfehler pro Raumrichtung über eine Fehlerkurve mit wenigen Parametern (z. B. ein Polynom, oder mehrere Abschnitte mit linearem oder parabelförmigem Verlauf) genügend genau beschrieben werden, so dass nur diese wenigen unbekannten Parameter aus den Messwerten (also den gemessenen Relativgeschwindigkeiten von stationären Objekten) zu bestimmen sind; bei unbekannter Eigengeschwindigkeit kommt diese als weitere Unbekannte dazu und wird dann zumindest implizit ermittelt.To determine the angular errors using stationary objects, the vehicle's own speed v ego is required with high accuracy, which is usually not guaranteed by the own speed measured by the vehicle itself and communicated to the sensor. Therefore, the lidar sensor must determine the own speed itself. In the simplest case, this is done by determining the maximum of the measured radial relative speeds, because according to (60), the measured relative speed can assume a maximum of the own speed of the vehicle - this is the case in the direction of travel (i.e. at α = β = 0°). However, this approach assumes that there are stationary reflections in the direction of travel or at least close to it and that the relative speed measurement is very accurate (i.e. in particular not noisy due to a poor signal-to-noise ratio). As mentioned above, the course of the angular errors per spatial direction can be described with sufficient accuracy using an error curve with few parameters (e.g. a polynomial, or several sections with a linear or parabolic course), so that only these few unknown parameters can be deduced from the measured values (i.e. the measured relative velocities of stationary objects); if the velocity is unknown, this is added as a further unknown and is then determined at least implicitly.

Sind die Winkelfehler bekannt, können sie in der vom Sensor ermittelten Detektionsliste korrigiert werden, also können zu den Detektionen die realen Winkel angegeben werden. Zusätzlich kann der Verlauf der zum Scannen benutzten Steuergrößen für folgende Erfassungszyklen angepasst werden, um den Winkelfehler zu eliminieren (gegebenenfalls in iterativer Weise) - insbesondere auch, um den angestrebten Erfassungsbereich des zweidimensionalen Pixelfeldes genau zu realisieren.If the angle errors are known, they can be corrected in the detection list determined by the sensor, i.e. the real angles can be specified for the detections. In addition, the course of the control variables used for scanning can be adjusted for subsequent acquisition cycles in order to eliminate the angle error (if necessary in an iterative manner) - in particular in order to precisely realize the desired detection range of the two-dimensional pixel field.

Bestimmung der Lage der Straßenoberfläche in größeren EntfernungenDetermination of the position of the road surface at greater distances

Oben wurde erläutert, dass die Straßenoberfläche für die Bestimmung von Winkelfehlern benutzt werden kann; dabei wurden Reflektionen der Straßenoberfläche im näheren Bereich benutzt.It was explained above that the road surface can be used to determine angular errors, using reflections of the road surface in the near area.

Reflektionen der Straßenoberfläche in größerer Entfernung geben Aufschluss über die genaue Lage der Straßenoberfläche in der jeweiligen Entfernung (also in welchem Pixel und somit unter welchem vertikalen Winkel dort die Straßenoberfläche liegt, gegebenenfalls durch Interpolation noch auf Subpixelgenauigkeit verbessert), was für die Interpretation der erfassten Daten hilfreich sein kann. Als ein Beispiel sei die genaue Höhenbestimmung eines auf der Straße liegenden Gegenstands genannt; wenn man nicht nur die gemessenen Reflektionspunkte des Gegenstandes, sondern auch die genaue Lage der Straßenoberfläche bei diesem Gegenstand kennt, ist die Höhenbestimmung genauer. Es sei bemerkt, dass nur im Nahbereich aus der bekannten Sensorhöhe und wegen der über kurze Entfernung gültigen Annahme eines nicht gekrümmten Straßenverlaufs a priori die Lage der Straßenoberfläche bekannt ist; in größeren Entfernungen gilt das nicht mehr (gekrümmter Straßenverlauf z. B. in einer Senke hat dann starken Effekt) und zusätzlich wirken sich dort auch kleine Veränderungen der vertikalen Sensorausrichtung (z. B. durch leichte Fahrzeugneigung bei Bremsen und Beschleunigen) schon signifikant aus. Allerdings erfasst ein Lidarsensor die Reflektionen der Straßenoberfläche in größerer Entfernung im Allgemeinen zu schwach, um sie detektieren zu können; ein wesentlicher Grund dafür zeigt 32 (Darstellung für besseres Verständnis in vertikale Richtung nicht maßstäblich). Dort ist ein Strahl mit Breite 0.05° dargestellt, dessen Zentrum bei 100m Entfernung auf die ebene Straße trifft, wobei Sensoreinbauhöhe hsen = 60cm ist; durch den sehr geringen Einfallswinkel auf die Straße bildet sich der Strahl über einen Entfernungsbereich von etwa 15m auf die Straße ab. Dies bedeutet, dass in der zweidimensionalen Korrelation Em,k die Straßenoberfläche über etwa 30 diskrete Entfernungen m sichtbar ist (also nicht nur bei einem m0), so dass sich die empfangene Leistung auf entsprechend viele Werte in der zweidimensionalen Korrelation aufteilt, was zu einem sehr schlechten Signal-zu-Rauschverhältnis führt und damit eine Detektion verhindern kann. Diese Reduzierung der empfangenen Leistung pro Entfernungswert m der zweidimensionalen Korrelation kann man auch so erklären, dass pro Entfernungswert nur etwa 1/30 der Strahlbreite und damit der ausgesendeten Leistung effektiv wird.Reflections of the road surface at a greater distance provide information about the exact position of the road surface at that distance (i.e. in which pixel and thus at which vertical angle the road surface is located, possibly improved to subpixel accuracy by interpolation), which can be helpful for interpreting the recorded data. One example is the exact determination of the height of an object lying on the road; if you know not only the measured reflection points of the object but also the exact position of the road surface at that object, the height determination is more accurate. It should be noted that the position of the road surface is only known a priori in the close range from the known sensor height and because of the assumption of a non-curved road course that is valid over short distances; this no longer applies at greater distances (a curved road course, e.g. in a depression, then has a strong effect) and in addition, even small changes in the vertical sensor alignment (e.g. due to a slight vehicle inclination when braking and accelerating) have a significant effect. However, a lidar sensor generally does not capture the reflections of the road surface at a greater distance sufficiently to be able to detect them; a key reason for this is 32 (Illustration not to scale in the vertical direction for better understanding). This shows a beam with a width of 0.05°, the center of which hits the flat road at a distance of 100m, with the sensor installation height h sen = 60cm; due to the very small angle of incidence on the road, the beam is projected onto the road over a distance range of around 15m. This means that in the two-dimensional correlation E m,k the road surface is visible over around 30 discrete distances m (i.e. not just at one m 0 ), so that the received power is divided up into a corresponding number of values in the two-dimensional correlation, which leads to a very poor signal-to-noise ratio and can therefore prevent detection. This reduction in the received power per distance value m of the two-dimensional correlation can also be explained by the fact that only around 1/30 of the beam width and thus of the transmitted power is effective per distance value.

Für eine bessere Detektion der Straßenoberfläche kann man ausnutzen, dass sie bezogen auf horizontale Raumrichtung α über viele Pixel gesehen wird, also dass es viele Pixel gibt, bei denen das Strahlzentrum bei gleicher Entfernung die Straßenoberfläche trifft; wegen Bez. (62) haben diese Pixel selben Strahlwinkel β, also für vertikale Raumrichtung. Ein erster Ansatz besteht darin, dass über diese Pixel die zweidimensionale Korrelation Em,k nichtkohärent, also insbesondere durch Verwendung ihrer Betrags- oder Leistungswerte, akkumuliert wird, wobei das zumindest für alle Werte der diskreten Entfernung m gemacht wird, wo die Straße liegen kann. Bei den Entfernungen m, wo der akkumulierte Wert genügend weit über dem Rauschniveau liegt, befindet sich dann die Straße; das Rauschniveau in der einzelnen zweidimensionalen Korrelation Em,k ist ja bekannt (wird beispielsweise mit den Rechenlogiken nach 8 und 10 bestimmt), und daraus kann man dann das Rauschniveau nach nichtkohärenter Akkumulation gemäß theoretischen Zusammenhängen errechnen - oder man schätzt es direkt über die sich ergebenden Werte der nichtkohärenten Akkumulation, wobei dann ein genügend großer Bereich von m und gegebenenfalls unterschiedliche Werte von der diskreten Frequenz k ausgewertet werden müssen. Die Straße wird, wie oben erläutert, in einem ganzen Bereich der diskreten Entfernung m gesehen, der sich im Beispiel oben über etwa 30 Werte von m erstreckt; die Mitte m0 dieses Bereich stellt etwa die tatsächliche Entfernung der Straße dar. Statt die nichtkohärente Integration jeweils nur über Werte zu einer diskreten Laufzeit m zu machen, kann man sie auch über mehrere benachbarte Werte von m erweitern, da die Straße ja auch über zahlreiche m hinweg gesehen wird.For better detection of the road surface, one can exploit the fact that it is seen over many pixels in relation to the horizontal spatial direction α, i.e. that there are many pixels where the beam center hits the road surface at the same distance; due to relation (62) these pixels have the same beam angle β, i.e. for the vertical spatial direction. A first approach consists in accumulating the two-dimensional correlation E m,k non-coherently over these pixels, i.e. in particular by using their magnitude or power values, whereby this is done at least for all values of the discrete distance m where the road can be located. At the distances m where the accumulated value is sufficiently far above the noise level, the road is then located; the noise level in the individual two-dimensional correlation E m,k is known (for example, it is calculated using the calculation logic according to 8 and 10 determined), and from this one can then calculate the noise level after non-coherent accumulation according to theoretical relationships - or one can estimate it directly using the resulting values of the non-coherent accumulation, in which case a sufficiently large range of m and possibly different values of the discrete frequency k must be evaluated. As explained above, the road is seen in a whole range of discrete distance m, which in the example above extends over about 30 values of m; the center m 0 of this range represents approximately the actual distance of the road. Instead of doing the non-coherent integration only over values with a discrete running time m, one can also extend it over several neighboring values of m, since the road is also seen over numerous m.

Die obige Auswertung muss nicht für jede diskrete Frequenz gemacht werden, sondern im Prinzip nur für diejenige Frequenz k0, wo die Straßenreflexionen liegen; da die Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs bekannt ist (mit Hilfe der Erfassungsdaten des Lidarsensors selbst in hoher Qualität), kennt man diese diskrete Frequenz in der Regel recht genau, so dass die Berechnung nur für eine oder wenige diskrete Frequenzen k durchgeführt werden muss. Bei Verwendung einer Rechenlogik nach 8 oder 10 sind dann die Werte der zweidimensionalen Korrelation Em,k zu diesen diskreten Frequenzen auszugeben; wenn diese diskreten Frequenzen variieren können, dann ist eine Realisierung der Ausgabe sehr aufwändig; deshalb ist es unter Verwendung der Regenlogik nach 10 vorteilhaft, über eine eigengeschwindigkeitsabhänge Wahl der Drehfaktoren dn,m die benötigten diskreten Frequenzen immer an denselben Ausgängen der Rechenlogik zu haben.The above evaluation does not have to be done for every discrete frequency, but in principle only for the frequency k 0 where the road reflections are located; since the vehicle's own speed is known (with the help of the high-quality detection data of the lidar sensor itself), this dis The calculation is usually quite accurate for a specific frequency, so that the calculation only needs to be carried out for one or a few discrete frequencies k. When using a calculation logic according to 8 or 10 the values of the two-dimensional correlation E m,k for these discrete frequencies are then to be output; if these discrete frequencies can vary, then the realization of the output is very complex; therefore, using the rain logic according to 10 It is advantageous to always have the required discrete frequencies at the same outputs of the calculation logic via a speed-dependent choice of the rotation factors d n,m .

Statt einer nichtkohärenten Integration über Werte der zweidimensionalen Korrelation Em,k kann auch folgender zweiter Ansatz gewählt werden: Die Empfangsfolge e(n) eines Pixels wird in zwei Folgen halber Länge aufgespalten, wobei die erste Folge aus den geradzahligen n und die zweite Folge aus den ungeradzahligen n gebildet wird. Zu diesen beiden Unterfolgen wird die jeweilige zweidimensionale Korrelation bestimmt und dann wird für jede relevante Entfernung m und Frequenz k der Wert der einen Korrelation mit dem konjugiert komplexen Wert der anderen multipliziert. Zwischen den beiden Unterfolgen besteht eine Phasendifferenz, welche sich aus der Empfangsfrequenz fe und dem zeitlichen Abstand von jeweils zwei Abtastwerten, also der Abtastzeit Ts ergibt; das aus den beiden Korrelationen gebildete Produkt weist bei der Entfernung m und der Frequenz k0 der Straßenreflektionen einen komplexen Wert auf, dessen Phase dieser Phasendifferenz entspricht, wobei sich diese Aussage natürlich nur auf den Signalanteil bezieht, nicht auf das überlagerte Rauschen.Instead of a non-coherent integration over values of the two-dimensional correlation E m,k, the following second approach can also be chosen: The reception sequence e(n) of a pixel is split into two sequences of half the length, with the first sequence being formed from the even-numbered n and the second sequence from the odd-numbered n. The respective two-dimensional correlation is determined for these two sub-sequences and then, for each relevant distance m and frequency k, the value of one correlation is multiplied by the complex conjugate value of the other. There is a phase difference between the two sub-sequences, which results from the reception frequency f e and the time interval between two samples, i.e. the sampling time T s ; the product formed from the two correlations has a complex value at the distance m and the frequency k 0 of the road reflections, the phase of which corresponds to this phase difference, although this statement naturally only refers to the signal component, not to the superimposed noise.

Bei einem Wert von m ist diese Phase über alle Pixel mit Straßenreflektionen zumindest näherungsweise konstant, da die Relativgeschwindigkeit und damit die Empfangsfrequenz fe in dem kleinen Winkelbereich der Straße um 0° herum als konstant betrachtet werden kann (cos(α) in Bez. (62c) ist ja dann näherungsweise =1). Deshalb kann das Produkt über die Pixel hinweg kohärent integriert werden, also aufsummiert werden, was eine stärkere Verbesserung des Signal-zu-Rauschverhältnisse als bei nichtkohärenter Integration bewirkt. Soll zusätzlich noch über unterschiedliche m integriert werden, muss der entfernungsabhängige Frequenzanteil fr in der Empfangsfrequenz fe nach Bez. (12) korrigiert werden, bevorzugt als Teil der Drehfaktoren dn,m in der Rechenlogik nach 10. Bei Verwendung dieser Rechenlogik liegen auch inhärent die beiden zweidimensionalen Korrelationen zu den Unterfolgen von e(n) mit geradzahligen und ungeradzahligen n vor - und zwar am Ausgang der vorletzten Stufe der FFT in abwechselnder Folge. Die weiteren Überlegungen und Auswertungen gelten wie beim ersten Ansatz mit nichtkohärenter Integration.With a value of m, this phase is at least approximately constant across all pixels with road reflections, since the relative speed and thus the reception frequency f e can be considered constant in the small angular range of the road around 0° (cos(α) in relation (62c) is then approximately =1). Therefore, the product can be integrated coherently across the pixels, i.e. summed up, which results in a greater improvement in the signal-to-noise ratio than with non-coherent integration. If integration is also to be carried out across different m, the distance-dependent frequency component f r in the reception frequency f e must be corrected according to relation (12), preferably as part of the rotation factors d n,m in the calculation logic according to 10 . When using this calculation logic, the two two-dimensional correlations to the subsequences of e(n) with even and odd n are also inherently present - namely at the output of the penultimate stage of the FFT in alternating sequence. The further considerations and evaluations apply as in the first approach with non-coherent integration.

Diesen zweiten Ansatz mit Bildung des Produkts aus zwei Korrelationen und Summation über Pixel hinweg kann auch verallgemeinert werden. Wesentlich dabei ist, dass die zwei Korrelationen zumindest teilweise Empfangssignale benutzen, die von gleichen Reflektionspunkten auf der Straße, also gleichen Flächen stammen, damit man eine definierte Phasenbeziehung hat. Beispielsweise könnte auch die erste und die zweite Hälfte der Empfangsfolge pro Pixel für die Berechnung der beiden Korrelationen verwendet werden oder die Korrelationen zweier benachbarter Pixel, sofern diese überlappen; da die zu den beiden Korrelationen zugehörigen Empfangswerte aber dann zeitlich weiter auseinanderliegen, ist man gegebenenfalls sensitiv auf eine sich ändernde Geschwindigkeit (dann kann sich die Phasendifferenz über die Folge von Pixeln ändern).This second approach, which involves forming the product of two correlations and summing them across pixels, can also be generalized. The key point here is that the two correlations at least partially use received signals that come from the same reflection points on the road, i.e. the same areas, so that a defined phase relationship is achieved. For example, the first and second half of the received sequence per pixel could be used to calculate the two correlations, or the correlations of two neighboring pixels, provided they overlap; however, since the received values associated with the two correlations are then further apart in time, one may be sensitive to a changing speed (in which case the phase difference can change across the sequence of pixels).

Vorzeichenbestimmung der Empfangsfrequenz bei reellwertigem Mischer mit Hilfe nichtbinärer PhasenmodulationDetermination of the sign of the reception frequency in a real-valued mixer using non-binary phase modulation

Bei der bisher betrachteten binären Phasenmodulation mit den beiden Phasenwerten 0° und 180° und Verwendung eines reellwertigen Mischers treten in der zweidimensionalen Korrelation Em,k zwei Betragsspitzen bei (m0,+k0) und (m0,-k0) auf, so dass nur der Betrag der Empfangsfrequenz ermittelt werden kann. Oben wurde gezeigt, wie mit Hilfe einer überlagerten linearen Frequenzmodulation zumindest teilweise diese Mehrdeutigkeit gelöst werden kann. Im Folgenden wird ein alternativer Ansatz zum Bestimmen des Vorzeichens der Empfangsfrequenz bei reellwertigem Mischer vorgestellt.In the binary phase modulation considered so far with the two phase values 0° and 180° and using a real-valued mixer, two magnitude peaks occur in the two-dimensional correlation E m,k at (m 0 ,+k 0 ) and (m 0 ,-k 0 ), so that only the magnitude of the received frequency can be determined. It was shown above how this ambiguity can be at least partially resolved with the help of a superimposed linear frequency modulation. An alternative approach for determining the sign of the received frequency with a real-valued mixer is presented below.

Die Phasenmodulation φTX(n) soll nun nicht aus den zwei binären Werten 0° und 180° bestehen, sondern aus einem Satz an J Phasenwerten φj mit j = 0,...,J-1, die allgemeine Phasenwerte annehmen können; weiterhin wechselt die Phasenmodulation unregelmäßig, insbesondere pseudozufällig über diese J Phasenwerte. Die Phasenmodulationsfolge kann dann durch ein komplexwertiges b ( n ) = exp ( j ^ φ TX ( n ) )

Figure DE102023201147A1_0097
beschrieben werden, und mit der Bez. (3a) ergibt sich für die Empfangsfolge e(n) eines einzelnen Objekts: e ( n ) = a exp ( j ^ [ 2 π n / N k 0 φ TX ( n m 0 ) ] ) ,
Figure DE102023201147A1_0098
wobei das negative Vorzeichen von φTX(n-m0) daraus resultiert, dass für den komplexen Mischer - in Konsistenz zu den obigen Herleitungen - angenommen wird, dass er die Phasendifferenzen zwischen empfangenem und gesendetem Signal bildet (im anderen Fall, also wenn Mischer Phasendifferenz zwischen gesendetem und empfangenem Signal bilden würde, wäre Vorzeichen positiv). Bei reellwertigem Mischer erhält man den Realteil davon: e ( n ) = a / 2 exp ( + j ^ [ 2 π n / N k 0 φ TX ( n m 0 ) ] ) + a / 2 exp ( j ^ [ 2 π n / N k 0 φ TX ( n m 0 ) ] ) .
Figure DE102023201147A1_0099
The phase modulation φ TX (n) should now not consist of the two binary values 0° and 180°, but of a set of J phase values φ j with j = 0,...,J-1, which can assume general phase values; furthermore, the phase modulation changes irregularly, in particular pseudorandomly, over these J phase values. The phase modulation sequence can then be represented by a complex-valued b ( n ) = ex ( j ^ φ TX ( n ) )
Figure DE102023201147A1_0097
and with the reference (3a) the reception sequence e(n) of a single object is: e ( n ) = a ex ( j ^ [ 2 π n / N k 0 φ TX ( n m 0 ) ] ) ,
Figure DE102023201147A1_0098
where the negative sign of φ TX (nm 0 ) results from the fact that for the complex mixer - in consistency with the above derivations - it is assumed that it forms the phase differences between the received and transmitted signal (in the other case, i.e. if the mixer would form a phase difference between the transmitted and received signal, the sign would be positive). For a real-valued mixer, the real part of this is obtained: e ( n ) = a / 2 ex ( + j ^ [ 2 π n / N k 0 φ TX ( n m 0 ) ] ) + a / 2 ex ( j ^ [ 2 π n / N k 0 φ TX ( n m 0 ) ] ) .
Figure DE102023201147A1_0099

Die zweidimensionale Korrelation Em,k in Form der Bez. (8) wird als FFT über die Produktfolge p ( n ) = e ( n ) b ( n m ) = e ( n ) exp ( j ^ φ TX ( n m ) )

Figure DE102023201147A1_0100
gebildet, wobei b(n) nach Bez. (63) und keine Konjugiert-Komplex-Bildung für b(n-m) benutzt wird, was zu einer Korrelation mit dem ersten Anteil von e(n) in Bez. (65) zu Frequenz +k0 korrespondiert (eine Benutzung des konjugiert Komplexen von b(n-m) würde zum zweiten Anteil zu Frequenz +k0 korrespondieren). Mit Bez. (65) erhält man: p ( n ) = p 1 ( n ) + p 2 ( n )
Figure DE102023201147A1_0101
mit p 1 ( n ) = a / 2 exp ( j ^ [ φ TX ( n m ) φ TX ( n m 0 ) ] ) exp ( + j ^ 2 π n / N k 0 )  und
Figure DE102023201147A1_0102
p 2 ( n ) = a / 2 exp ( j ^ [ φ TX ( n m ) + φ TX ( n m 0 ) ] ) exp ( + j ^ 2 π n / N k 0 ) .
Figure DE102023201147A1_0103
The two-dimensional correlation E m,k in the form of the relation (8) is calculated as an FFT over the product sequence p ( n ) = e ( n ) b ( n m ) = e ( n ) ex ( j ^ φ TX ( n m ) )
Figure DE102023201147A1_0100
formed, where b(n) is formed according to Ref. (63) and no complex conjugation is used for b(nm), which corresponds to a correlation with the first part of e(n) in Ref. (65) at frequency +k 0 (using the complex conjugation of b(nm) would correspond to the second part at frequency +k 0 ). Using Ref. (65) we get: p ( n ) = p 1 ( n ) + p 2 ( n )
Figure DE102023201147A1_0101
with p 1 ( n ) = a / 2 ex ( j ^ [ φ TX ( n m ) φ TX ( n m 0 ) ] ) ex ( + j ^ 2 π n / N k 0 ) and
Figure DE102023201147A1_0102
p 2 ( n ) = a / 2 ex ( j ^ [ φ TX ( n m ) + φ TX ( n m 0 ) ] ) ex ( + j ^ 2 π n / N k 0 ) .
Figure DE102023201147A1_0103

Bei der diskreten Laufzeit, als Entfernung m = m0 des Objekts stellt der erste Anteil p1(n) einen kontinuierlich rotierenden Zeiger mit der diskreten Frequenz +k0 des Objekts dar (da φTX(n-m0)-φTX(n-m0) = 0), so dass er nach der FFT, also im Ergebnis der zweidimensionalen Korrelation Em,k die Betragsspitze bei der Frequenz +k0 und der diskreten Laufzeit m0 bildet.At the discrete running time, as distance m = m 0 of the object, the first component p 1 (n) represents a continuously rotating pointer with the discrete frequency +k 0 of the object (since φ TX (nm 0 )-φ TX (nm 0 ) = 0), so that after the FFT, i.e. as a result of the two-dimensional correlation E m,k, it forms the magnitude peak at the frequency +k 0 and the discrete running time m 0 .

Der zweite Anteil p2(n) generiert bei binärer Phasenmodulation (Phasenwerte 0° und 180°) die Betragsspitze bei der Frequenz -k0 und diskreter Laufzeit m0, weil φTX(n-m0)+φTX(n-m0) = 2·φTX(n-m0) nur die zwei effektiv identischen Werte 0° und 360° annehmen kann (beides mal ist der durch sie gebildete komplexe Zeiger =1). Bei Wahl anderer Phasenwerte kommt es dagegen in p2(n) zu Phasensprüngen, da 2·φTX(n-m0) nicht nur ganzzahlige Vielfache von 360° annimmt. Als Beispiel seinen nun die J = 4 Phasenwerte φj = 0,90°,180°,270° betrachtet (die Modulationsfolge b(n) nimmt also die 4 Werte 0,+ ĵ,-1,-ĵ an). Dann nimmt exp(-ĵ·2·φTX(n-m0)) die Werte +1 und -1 an, zwischen denen pseudozufällig gesprungen wird. Da alle 4 Phasenwerte mit gleicher Wahrscheinlichkeit bzw. Häufigkeit verwendet werden, ist der Mittelwert von exp(-ĵ·2·φTX(n-m0)) zumindest mit sehr guter Näherung Null; bei der diskreten Frequenz -k0 des Objekts verschwindet dann der Beitrag von p2(n) zur zweidimensionalen Korrelation Em,k, so dass dort keine Betragsspitze mehr auftritt. Weil nun nur noch eine Betragsspitze auftritt (bei vorzeichenrichtiger Frequenz +k0), liegt die Empfangsfrequenz eindeutig und korrekt fest.The second component p 2 (n) generates the magnitude peak at frequency -k 0 and discrete propagation time m 0 in binary phase modulation (phase values 0° and 180°), because φ TX (nm 0 )+φ TX (nm 0 ) = 2·φ TX (nm 0 ) can only assume the two effectively identical values 0° and 360° (in both cases the complex vector formed by them is =1). If other phase values are selected, however, phase jumps occur in p 2 (n), since 2·φ TX (nm 0 ) does not only assume integer multiples of 360°. As an example, consider the J = 4 phase values φ j = 0,90°,180°,270° (the modulation sequence b(n) therefore assumes the 4 values 0,+ ĵ,-1,-ĵ). Then exp(-ĵ·2·φ TX (nm 0 )) takes on the values +1 and -1, between which a pseudo-random jump is made. Since all 4 phase values are used with the same probability or frequency, the mean value of exp(-ĵ·2·φ TX (nm 0 )) is zero, at least with a very good approximation; at the discrete frequency -k 0 of the object, the contribution of p 2 (n) to the two-dimensional correlation E m,k then disappears, so that no peak in magnitude occurs there any more. Because now only one peak in magnitude occurs (at the correct frequency +k 0 ), the reception frequency is clearly and correctly determined.

Das Verschwinden der Betragsspitze bei falscher Frequenz -k0 kann man durch jeden Satz an J über eine Umdrehung, also 360° gleichverteilte Phasenwerte φ j = 360 ° / J ( 0,1, , J 1 ) mit J > 2

Figure DE102023201147A1_0104
realisieren; minimal werden also J = 3 Phasenwerte φj = 0, 120°, 240° benötigt. Bei anderer Wahl der Phasenwerte wird die falsche Betragsspitze bei Frequenz -k0 nicht komplett eliminiert, sondern nur reduziert; im Beispiel der nur J = 2 Phasenwerte φj = 0,90° beträgt die Reduktion 3dB. Für die Erkennung der richtigen Betragsspitze wählt man die größere der beiden Betragsspitzen bei ±k0 aus; abgesehen von einem schlechten Signal-zu-Rauschverhältnis reicht zur korrekten Erkennung schon ein kleiner nominaler Unterschied der Beträge aus. Verallgemeinert kann gesagt werden, dass unter den verwendeten J Phasenwerten φj zumindest zwei Phasenwerte sein müssen, die weder gleich- noch gegenphasig sind, um bei einem reellwertigen Mischer das Vorzeichen der Empfangsfrequenz bestimmen zu können.The disappearance of the magnitude peak at the wrong frequency -k 0 can be explained by each set of J over one revolution, i.e. 360° equally distributed phase values φ j = 360 ° / J ( 0.1, , J 1 ) with J > 2
Figure DE102023201147A1_0104
realize; at a minimum, J = 3 phase values φ j = 0, 120°, 240° are required. If the phase values are selected differently, the incorrect magnitude peak at frequency -k 0 is not completely eliminated, but only reduced; in the example of only J = 2 phase values φ j = 0.90°, the reduction is 3dB. To detect the correct magnitude peak, the larger of the two magnitude peaks at ±k 0 is selected; apart from a poor signal-to-noise ratio, a small nominal difference in the magnitudes is sufficient for correct detection. In general, it can be said that among the J phase values φ j used, at least There must be at least two phase values that are neither in phase nor in antiphase in order to be able to determine the sign of the received frequency in a real-valued mixer.

Phasenwerte, insbesondere wenn sie nicht nur gegenphasig sind, können meist nicht beliebig genau realisiert werden. Als Beispiel sollen die J = 4 äquidistanten Phasenwerte mit nominaler Lage φj,nom = 0, 90°, 180°, 270° betrachtet werden; ihre realen Werte sollen φj,real = 15°, 75°, 195°, 255° betragen, also ihre Abstände weisen große Fehler von ±30° auf. In diesem Fall kommt es im ersten Anteil p1(n) zu Phasensprüngen von ±30° und somit nichtkonstanter Phase (also einem Phasenjitter), was zu einer Reduktion der Betragsspitze an richtiger Frequenz +k0 um nur 0.3dB führt und somit einem nur geringen Verlust an Sensitivität (die verlorene Energie wandert in eine kleines Rauschen bei anderen Dopplerfrequenzen k, welches aber deutlich unter dem durch die Phasenmodulation selber erzeugten Rauschniveau in der zweidimensionalen Korrelation liegt); an der falsche Frequenz -k0 ist die Betragsspitze nicht mehr komplett eliminiert, sondern ein kleiner Gleichanteil in den Phasen von p2(n) führt zu einer Betragsspitze, die um 11.4dB unterhalb der Betragsspitze bei der richtigen Frequenz +k0 liegt, so dass diese weiterhin korrekt erkannt werden kann. An diesem Beispiel wird ersichtlich, dass selbst recht große Fehler in der Realisierung der Phasenwerte noch unkritisch sind.Phase values, especially if they are not just in phase opposition, cannot usually be realized with arbitrary precision. As an example, consider the J = 4 equidistant phase values with nominal position φ j,nom = 0, 90°, 180°, 270°; their real values should be φ j,real = 15°, 75°, 195°, 255°, i.e. their distances have large errors of ±30°. In this case, phase jumps of ±30° and thus non-constant phase (i.e. phase jitter) occur in the first component p 1 (n), which leads to a reduction of the magnitude peak at the correct frequency +k 0 by only 0.3 dB and thus only a small loss of sensitivity (the lost energy migrates into a small noise at other Doppler frequencies k, which is, however, significantly below the noise level in the two-dimensional correlation generated by the phase modulation itself); At the wrong frequency -k 0 the magnitude peak is no longer completely eliminated, but a small DC component in the phases of p 2 (n) leads to a magnitude peak that is 11.4 dB below the magnitude peak at the correct frequency +k 0 , so that it can still be correctly detected. This example shows that even quite large errors in the realization of the phase values are still not critical.

Abschließend sollen noch mögliche Realisierungen erörtert werden. Ein Ansatz besteht darin, zwischen unterschiedlich langen Leitungsstücken umzuschalten; 33 zeigt als Beispiel den Fall von J = 3 Phasenwerten, d. h. es wird zwischen drei unterschiedlich langen Leitungsstücken umgeschaltet, wobei durch die unterschiedliche Länge eine um 120° bzw. 240° unterschiedliche Phase realisiert wird. Für das obige Beispiel der J = 4 äquidistanten Phasenwerte kann man - wie in 34 dargestellt - eine Kombination von einem schaltbaren Invertierer 34.1 und einem Umschalter 34.2 zwischen zwei Leitungstücken, die einen Phasenunterschied von 90° aufweisen, verwenden.Finally, possible implementations will be discussed. One approach is to switch between different lengths of line; 33 shows the case of J = 3 phase values as an example, ie switching between three different lengths of line is carried out, whereby the different lengths result in a phase difference of 120° or 240°. For the above example of J = 4 equidistant phase values, one can - as in 34 shown - use a combination of a switchable inverter 34.1 and a changeover switch 34.2 between two line sections which have a phase difference of 90°.

GesamtsystemOverall system

Ein Lidarsystem gemäß den obigen Ausführungen umfasst oder besteht vorzugsweise nur aus den folgenden drei Hauptkomponenten:

  • - Photonischer Chip, enthält:
    • • in Frequenz verstimmbare Laserquelle (vorzugsweise gibt es nur eine; nur falls Frequenzdurchstimmbereich zu gering ist, werden mehrere benötigt),
    • • Phasenmodulationseinheit bestehend aus schaltbarem Invertierer,
    • • 32 parallele Sende-Empfangspfade mit optischem Verstärker, Zirkulator, reellwertigem Überlagerungsmischer und Photodiode,
    • • 32 Wellenleiter (im Falle der Benutzung einer Schaltmatrix zum Scannen in zweiter Raumrichtung 320 Wellenleiter),
    • Ausgang mit 32 analogen Empfangssignalen im hohen MHz-Bereich;
  • - Digitalchip, enthält:
    • • 32 Analog-Digital-Wandler für Empfangssignale, die vom photonischen Chip ausgegeben werden,
    • • festverdrahte Rechenlogik zur Bestimmung der zweidimensionalen Korrelation mit nachgelagerter Auswertung,
    • • Mikrocontroller und/oder DSP(s) zur weiteren Signalauswertung (insbesondere für Bestimmung einer Detektionsliste) und zur Berechnung der Steuergrößen für Laserfrequenz und Scanner für zweite Raumrichtung,
    • • Steuerausgänge für Laserfrequenz und Scanner für zweite Raumrichtung (können analog oder digital sein);
  • - Scanner in eine Raumrichtung (für zweite Raumrichtung), realisiert durch:
    • • Material mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften, insbesondere ein Flüssigkristallelement oder -Array, oder
    • • Schaltmatrix für jeden der 32 parallelen Sende-Empfangspfade oder
    • • mechanischer Ansatz, z. B. in Form eines oszillierenden oder rotierenden Spiegels oder Prismas,
    • • wobei für manche der Ansätze noch eine Linseneinheit und/oder Strahlumlenkeinheit benötigt wird.
A lidar system according to the above preferably comprises or consists only of the following three main components:
  • - Photonic chip, contains:
    • • frequency-tunable laser source (preferably there is only one; only if the frequency tuning range is too small, several are needed),
    • • Phase modulation unit consisting of switchable inverter,
    • • 32 parallel transmit-receive paths with optical amplifier, circulator, real-valued superheterodyne mixer and photodiode,
    • • 32 waveguides (in case of using a switching matrix for scanning in the second spatial direction 320 waveguides),
    • • Output with 32 analog reception signals in the high MHz range;
  • - Digital chip, contains:
    • • 32 analog-digital converters for receiving signals output by the photonic chip,
    • • hard-wired calculation logic for determining the two-dimensional correlation with subsequent evaluation,
    • • Microcontroller and/or DSP(s) for further signal evaluation (in particular for determining a detection list) and for calculating the control variables for laser frequency and scanner for the second spatial direction,
    • • Control outputs for laser frequency and scanner for second spatial direction (can be analog or digital);
  • - Scanner in one spatial direction (for second spatial direction), realized by:
    • • Material with electrically controllable optical properties, in particular a liquid crystal element or array, or
    • • Switching matrix for each of the 32 parallel transmit-receive paths or
    • • mechanical approach, e.g. in the form of an oscillating or rotating mirror or prism,
    • • Some of the approaches still require a lens unit and/or beam deflection unit.

In einem optimalen Fall befinden sich alle elektronischen Komponenten auf einer Platine; für manche Anordnungen können auch zwei Platinen nötig sein. Durch das Potential einer hohen Halbleiterintegration des vorgeschlagenen Ansatzes können Kosten und Baugröße signifikant reduziert werden.In an optimal case, all electronic components are located on one board; for some arrangements, two boards may be necessary. The high semiconductor integration potential of the proposed approach can significantly reduce costs and size.

Um den Aufwand an benötigter Hardware zu reduzieren, kann eine z. B. halbierte Zahl an parallelen Sende-Empfangspfaden durch halbierte Datenaufnahmezeit pro Pixel verwendet werden, wodurch dann sich dann auch die Größe und die Stromaufnahme der festverdrahte Rechenlogik halbiert. Eine generelle Leitlinie bei diesem Konzept ist, dass alle Komponenten über die gesamte Zeit aktiv sind (also verwendet werden) und dass die gesamte erzeugte und abgestrahlte Leistung zur Erfassung benutzt wird (d. h. insbesondere wird nur Leistung in Richtungen abgestrahlt, aus denen zur gleichen Zeit auch empfangen wird).In order to reduce the amount of hardware required, a halved number of parallel transmit-receive paths can be used by halving the data acquisition time per pixel, which then also halves the size and power consumption of the hard-wired computing logic. A general guideline for this concept is that all components are active (i.e. used) the entire time and that all the generated and radiated power is used for detection (i.e. in particular, power is only radiated in directions from which data is also being received at the same time).

Alternative PhasenmodulationsformAlternative phase modulation form

Bisher wurde für die Phasenmodulation im kohärenten Lidarsystem nach 1 eine sich mit der Periode N wiederholende pseudozufällige binäre Folge (also bestehend aus den zwei Phasenwerten 0° und 180°) nach 2 betrachtet. Statt einer pseudozufälligen Folge könnten auch unregelmäßige Folgen mit anderer Definition verwendet werden, beispielsweise Folgen gekennzeichnet durch geringe Nebenkeulen der Autokorrelierten (z. B. ein aus der Literatur bekannter Gold-Code). Zumindest falls eine hohe Sensitivität gefordert ist, benötigen unregelmäßige Folgen aber immer die aufwändige Bestimmung der zweidimensionalen Korrelation Em,k nach Bez. (8) und somit eine spezielle Rechenlogik, insbesondere nach 8 und 10. Falls eine solche Rechenlogik nicht vorliegt, sondern nur DSPs (insbesondere mit parallelen vektoriellen Recheneinheiten), sind Modulationsfolgen zu verwenden, die eine einfachere Auswertung erlauben (aber auch verbunden mit anderen Nachteilen sein können).So far, phase modulation in the coherent lidar system has been 1 a pseudorandom binary sequence repeating with the period N (i.e. consisting of the two phase values 0° and 180°) according to 2 Instead of a pseudorandom sequence, irregular sequences with a different definition could also be used, for example sequences characterized by low side lobes of the autocorrelates (e.g. a Gold code known from the literature). At least if a high sensitivity is required, irregular sequences always require the complex determination of the two-dimensional correlation E m,k according to (8) and thus a special calculation logic, in particular according to 8 and 10 If such a calculation logic is not available, but only DSPs (especially with parallel vectorial calculation units), modulation sequences must be used which allow a simpler evaluation (but may also be associated with other disadvantages).

Als Beispiel werden zuerst eine Folge und ein Auswertungsansatz betrachtet, welche im Artikel „Phase-Coded-Based Modulation for Coherent Lidar" von Sebastian Banzhaf und Christian Waldschmidt, veröffentlicht in IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 70, NO. 10, OCTOBER 2021 , vorgeschlagen sind. Dort wird die binäre Modulationsfolge b(n) der Länge N aus zwei Teilen zusammengesetzt: während der ersten Teilfolge b1(n) mit Länge N1 ist die Phase konstant, also z. B. b 1 ( n ) = 1 mit n = 0, , N 1 1 ,

Figure DE102023201147A1_0105
und die zweite Teilfolge b2(n) der Länge N2 = N-N1 ist unregelmäßig, z. B. pseudozufällig: b 2 ( n ) = ± 1 mit n = N 1 , , N 1 .
Figure DE102023201147A1_0106
As an example, we first consider a sequence and an evaluation approach, which are described in the article "Phase-Coded-Based Modulation for Coherent Lidar" by Sebastian Banzhaf and Christian Waldschmidt, published in IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 70, NO. 10, OCTOBER 2021 , are proposed. There, the binary modulation sequence b(n) of length N is composed of two parts: during the first subsequence b 1 (n) with length N 1 the phase is constant, e.g. b 1 ( n ) = 1 with n = 0, , N 1 1 ,
Figure DE102023201147A1_0105
and the second subsequence b 2 (n) of length N 2 = NN 1 is irregular, e.g. pseudorandom: b 2 ( n ) = ± 1 with n = N 1 , , N 1 .
Figure DE102023201147A1_0106

Die Längen N1 und N2 können gleich sein, also N 2 = N 1 = N / 2,

Figure DE102023201147A1_0107
und die Modulationsfolge kann sich für mehrere Erfassungsrichtungen, also Pixel periodisch wiederholen; in 35 ist eine solche Modulationsfolge dargestellt, wobei sich die aus den Teilfolgen zusammengesetzte Folge mit der Periode N=4096 wiederholt.The lengths N 1 and N 2 can be equal, so N 2 = N 1 = N / 2,
Figure DE102023201147A1_0107
and the modulation sequence can be repeated periodically for several detection directions, i.e. pixels; in 35 Such a modulation sequence is shown, where the sequence composed of the subsequences repeats with the period N=4096.

Für die von einem Objekt i generierte Empfangsteilfolge e1,i(n) zur ersten, konstanten Modulationsteilfolge b1(n) gilt gemäß Bez. (3a): e 1, i ( n ) = a i exp ( 2 π j ^ n / N k 0, i ) mit n = m 0, i , , m 0, i + N / 2 1 ,

Figure DE102023201147A1_0108
d. h. sie trägt nur die Dopplerfrequenz des jeweiligen Objekts, welche über eine DFT bzw. FFT bestimmt werden kann. Wegen der unbekannten Zeitverschiebungen m0,i kennt man allerdings nicht die jeweilige genaue zeitliche Lage von e1,i(n) innerhalb der Empfangsfolge e(n); man kann vereinfachend beispielsweise die Zeitverschiebung Null annehmen, d. h. über die Empfangsteilfolge e ˜ 1 ( n ) = e ( n ) mit n = 0, , N / 2 1
Figure DE102023201147A1_0109
bildet man die FFT E ˜ 1, k = FFT k ( e ˜ 1 ( n ) ) = FFT k ( e ( n ) ) mit n = 0, , N / 2 1 .
Figure DE102023201147A1_0110
For the reception subsequence e 1,i (n) generated by an object i for the first, constant modulation subsequence b 1 (n), the following applies according to (3a): e 1, i ( n ) = a i ex ( 2 π j ^ n / N k 0, i ) with n = m 0, i , , m 0, i + N / 2 1 ,
Figure DE102023201147A1_0108
ie it only carries the Doppler frequency of the respective object, which can be determined via a DFT or FFT. Due to the unknown time shifts m 0,i , however, the exact temporal position of e 1,i (n) within the reception sequence e(n) is not known; for simplicity, one can assume the time shift to be zero, ie via the reception sub-sequence e ˜ 1 ( n ) = e ( n ) with n = 0, , N / 2 1
Figure DE102023201147A1_0109
the FFT is formed E ˜ 1, k = FFT k ( e ˜ 1 ( n ) ) = FFT k ( e ( n ) ) with n = 0, , N / 2 1 .
Figure DE102023201147A1_0110

Allerdings führt die Annahme der Zeitverschiebung Null dazu, dass man für andere tatsächliche Zeitverschiebungen m0,i, also insbesondere für weit entfernte Ziele, in den ersten m0,i-1 Werten der Empfangsteilfolge ẽ1(n) keine Werte von der konstanten Modulationsteilfolge b1(n) hat, sondern hintere Werte der Modulationsteilfolge b2(n) der vorhergehenden Periode; damit reduziert sich die Höhe der jeweiligen Betragsspitze der FFT und damit ihr Abstand zum Rauschen, so dass sich die Sensitivität reduziert. Die Betragsspitzen der FFT Ẽ1,k der Empfangsteilfolge ẽ1(n) werden auf eine Detektionsschwelle überprüft. Die Frequenzen k0,j der J über der Detektionsschwelle liegenden Betragsspitzen werden für die Weiterverarbeitung benutzt; typischerweise sieht man diese Betragsspitzen in zwei benachbarten FFT-Werten (da sie nicht - wie bisher betrachtet - bei einem ganzzahligen Dopplerindex k0 liegen), so dass durch Interpolation dann jeweils ihre genau Lage, also eine nicht ganzzahlige Frequenz k0,j bestimmt werden kann. Diese Frequenzen k0,j entsprechen zumindest näherungsweise den Dopplerfrequenzen k0,i der Objekte oder einer Teilmenge von diesen (für Objekte mit sehr geringer Reflektivität kann es sein, dass sie zu keiner Betragsspitze über der Detektionsschwelle führen).However, the assumption of a time shift of zero means that for other actual time shifts m 0,i , in particular for distant targets, in the first m 0,i -1 values of the received sub-sequence ẽ 1 (n) there are no values from the constant modulation sub-sequence b 1 (n), but rather rear values of the modulation sub-sequence b 2 (n) of the previous period; this reduces the height of the respective magnitude peak of the FFT and thus its distance from the noise, so that the sensitivity is reduced. The magnitude peaks of the FFT Ẽ 1,k of the received sub-sequence ẽ 1 (n) are checked for a detection threshold. The frequencies k 0,j of the J magnitude peaks above the detection threshold are used for further processing; Typically, these magnitude peaks are seen in two neighboring FFT values (since they are not - as previously considered - at an integer Doppler index k 0 ), so that their exact position, i.e. a non-integer frequency k 0,j, can be determined by interpolation. These frequencies k 0,j correspond at least approximately to the Doppler frequencies k 0,i of the objects or a subset of them (for objects with very low reflectivity, they may not lead to any magnitude peak above the detection threshold).

Die zweite Modulationsteilfolge b2(n) führt in der Empfangsfolge e(n) gemäß Bez. (3a) zu um m0,i zeitverschobenen und mit der jeweiligen Dopplerfrequenz k0,i multiplizierten, also modulierten Komponenten e 2, i ( n ) = a i b 2 ( n m 0, i ) exp ( 2 π j ^ n / N k 0, i ) mit n m 0, i = N / 2, , N 1 .

Figure DE102023201147A1_0111
The second modulation sub-sequence b 2 (n) leads in the reception sequence e(n) according to (3a) to components that are time-shifted by m 0,i and multiplied by the respective Doppler frequency k 0,i , i.e. modulated e 2, i ( n ) = a i b 2 ( n m 0, i ) ex ( 2 π j ^ n / N k 0, i ) with n m 0, i = N / 2, , N 1 .
Figure DE102023201147A1_0111

Um die jeweilige Modulation durch die Dopplerfrequenz zu eliminieren, wird die Empfangsfolge e(n) jeweils um die Frequenz k0,j zurückgedreht: e ˜ 2, j ( n ) = e ( n ) exp ( 2 π j ^ n / N k 0, j ) mit n = N / 2, , N 1 + M 1  und j = 1, J 1 ;

Figure DE102023201147A1_0112
dabei muss der Bereich n = N/2,...,N-1+M-1 der Empfangsfolge e(n) betrachtet werden, in welchem der Empfang der zweiten Modulationsteilfolge b2(n) liegen kann, wobei M-1 zu der größten anzunehmenden bzw. interessierenden Objektentfernung korrespondiert. Es sei bemerkt, dass der Bereich n = N,...,N-1+M-1 des Empfangssignals nur bei einem kontinuierlichen Scannen benutzt werden kann, allerdings nicht bei einem geschalteten Scannen (dann ist das dortige Signal wegen anderer Erfassungsrichtung nicht kohärent).In order to eliminate the respective modulation by the Doppler frequency, the reception sequence e(n) is rotated back by the frequency k 0,j : e ˜ 2, j ( n ) = e ( n ) ex ( 2 π j ^ n / N k 0, j ) with n = N / 2, , N 1 + M 1 and j = 1, J 1 ;
Figure DE102023201147A1_0112
The range n = N/2,...,N-1+M-1 of the reception sequence e(n) must be considered, in which the reception of the second modulation sub-sequence b 2 (n) can take place, where M-1 corresponds to the largest assumed or interesting object distance. It should be noted that the range n = N,...,N-1+M-1 of the reception signal can only be used for continuous scanning, but not for switched scanning (in this case the signal there is not coherent due to a different detection direction).

Die so modifizierten Folgen ẽ2,j(n) beinhalten im korrespondierenden Index j verschobene Modulationsteilfolgen ai·b2(n-m0,i); Beiträge von Objekten mit anderen Dopplerfrequenzen k0,i (also k0,i ≠ k0,j) stellen eine zu b2(n) unkorrelierte Modulationsfolge dar, da sie noch mit der Differenzfrequenz k0,i-k0,j moduliert sind. Deshalb können nun die Folgen ẽ2,j(n) mit der zweiten Modulationsteilfolge b2(n) korreliert werden: E ˜ 2, j , m = sum n = N / 2, , N 1 ( e ˜ 2, j ( n + m ) b 2 ( n ) ) mit m = 0, , M 1 und j = 1, J 1 .

Figure DE102023201147A1_0113
The sequences ẽ 2,j (n) modified in this way contain shifted modulation subsequences a i ·b 2 (nm 0,i ) in the corresponding index j; contributions from objects with other Doppler frequencies k 0,i (i.e. k 0,i ≠ k 0,j ) represent a modulation sequence that is uncorrelated with b 2 (n), since they are still modulated with the difference frequency k 0,i -k 0,j . Therefore, the sequences ẽ 2,j (n) can now be correlated with the second modulation subsequence b 2 (n): E ˜ 2, j , m = sum n = N / 2, , N 1 ( e ˜ 2, j ( n + m ) b 2 ( n ) ) with m = 0, , M 1 and j = 1, J 1 .
Figure DE102023201147A1_0113

In diesen eindimensionalen Korrelationen Ẽ2,j,m treten Betragsspitzen an den Stellen m = m0,i, also an den diskreten Laufzeiten von Objekten auf; beim allgemeinen Fall einer nicht ganzzahligen diskreter Laufzeit m0,i erstreckt sich die Betragsspitze bei geeigneten Maßnahmen (z. B. Verschleifen der Modulationspulse auf eine näherungsweise dreiecksförmige Gestalt) über zwei benachbarte Werte von m, und man kann durch Interpolation ihre nichtganzzahlige Position ermitteln. Aus dem Index j der Korrelation Ẽ2,j,m, bei welcher die Betragsspitze auftritt, und der zu diesem j gehörigen Dopplerfrequenz k0,j ergibt sich die Dopplerfrequenz k0,i = k0,j des Objekts. So können aus über einer Detektionsschwelle liegenden Betragsspitzen der Korrelationen Ẽ2,j,m die Entfernungen und radialen Relativgeschwindigkeiten von Objekten in der jeweiligen Erfassungsrichtung bestimmt werden. Es sei bemerkt, dass Beiträge von Objekten mit jeweils anderen Dopplerfrequenzen k0,i (also k0,i ≠ k0,j) wegen ihrer Unkorreliertheit zu b2(n) nur zu Rauschen in den jeweiligen Korrelationen führen, also zu keinen Betragsspitzen über einer Detektionsschwelle; bei etwa gleich starken Reflektionssignalen von Objekten liegt dieses Rauschen deutlich unter den interessierenden Betragsspitzen und verdeckt diese damit nicht - nur wenn Reflektionssignale von Objekten stark unterschiedlich sind, können Objekte mit starkem Reflektionssignal über ihr Rauschen schwache Reflektionssignale mit anderer Dopplerfrequenz verdecken.In these one-dimensional correlations Ẽ 2,j,m, magnitude peaks occur at the points m = m 0,i , i.e. at the discrete travel times of objects; in the general case of a non-integer discrete travel time m 0,i, the magnitude peak extends over two neighboring values of m if suitable measures are taken (e.g. smoothing the modulation pulses to an approximately triangular shape), and its non-integer position can be determined by interpolation. The Doppler frequency k 0,i = k 0,j of the object results from the index j of the correlation Ẽ 2,j,m , at which the magnitude peak occurs, and the Doppler frequency k 0 ,j associated with this j. In this way, the distances and radial relative velocities of objects in the respective detection direction can be determined from magnitude peaks of the correlations Ẽ 2,j,m that lie above a detection threshold. It should be noted that contributions from objects with different Doppler frequencies k 0,i (i.e. k 0,i ≠ k 0,j ) only lead to noise in the respective correlations due to their uncorrelatedness to b 2 (n), i.e. to no magnitude peaks above a detection threshold; if reflection signals from objects are approximately equally strong, this noise is significantly below the magnitude peaks of interest and thus does not obscure them - only if reflection signals from objects are very different can objects with a strong reflection signal obscure weak reflection signals with a different Doppler frequency via their noise.

Mit der Modulationsfolge nach 35 und der oben erläuterten Auswertung benötigt man bei dem typischen Fall von einem Objekt in einem Pixel eine FFT für die Empfangsteilfolge ẽ1(n) zur ersten Modulationsteilfolge b1(n) und eine Korrelation zwischen zweiter Modulationsteilfolge b2(n) und der frequenzrückgedrehten Empfangsteilfolge ẽ2,1(n) zur zweiten Modulationsteilfolge. Diese Korrelation im Zeitbereich kann man auch über eine Multiplikation der FFTs im Frequenzbereich mit anschließender inversen FFT realisieren (inverse FFT benötigt gleichen Rechenaufwand wie FFT selber); die FFT der Modulationsteilfolge b2(n) kann man einmal a priori bestimmen, so dass nur die FFT von der Empfangsteilfolge ẽ2,1(n) bestimmt werden muss. Insgesamt fällt also der Aufwand von drei FFTs an, während bei der zweidimensionalen Korrelation Em,k nach Bez. (8) insgesamt M=250 FFTs zu rechnen sind, wobei diese FFTs etwa doppelte Länge haben, wenn gleiche Dauer eines Pixels angenommen wird. Damit ergibt sich eine sehr starke Reduktion des benötigten Rechenaufwands auf eine Größenordnung, welche moderne DSPs mit parallelen vektoriellen Recheneinheiten erschließen.With the modulation sequence according to 35 and the evaluation explained above, in the typical case of an object in a pixel, an FFT is required for the reception sub-sequence ẽ 1 (n) to the first modulation sub-sequence b 1 (n) and a correlation between the second modulation sub-sequence b 2 (n) and the frequency-returned rotated reception sub-sequence ẽ 2,1 (n) to the second modulation sub-sequence. This correlation in the time domain can also be realized by multiplying the FFTs in the frequency domain followed by an inverse FFT (inverse FFT requires the same amount of computing power as the FFT itself); the FFT of the modulation sub-sequence b 2 (n) can be determined once a priori, so that only the FFT of the reception sub-sequence ẽ 2,1 (n) needs to be determined. Overall, the amount of effort required is three FFTs, while for the two-dimensional correlation E m,k according to equation (8), a total of M=250 FFTs must be calculated, whereby these FFTs have approximately twice the length if the same duration of a pixel is assumed. This results in a very strong reduction in the required computing power to an order of magnitude that modern DSPs with parallel vector processing units can achieve.

Nachteilig im Vergleich zu einer Modulationsfolge nach 2 und Auswertung über eine zweidimensionalen Korrelation Em,k nach Bez. (6) bzw. (8) sind insbesondere folgende Punkte:

  • - Die Sensitivität ist um etwas mehr als 3dB geringer, wenn gleiche Dauer eines Pixels angenommen wird; die halbe Länge der FFT (von der Empfangsteilfolge e1(n)) wie auch die halbe Länge der zeitlichen Korrelation (von ẽ2,j(n) zu der Modulationsteilfolge b2(n)) führt auf 3dB Verlust, und zusätzlich gibt es - wie oben erläutert - den Effekt, dass insbesondere für weit entfernte Ziele die ersten Werte der Empfangsteilfolge ẽ1(n) nicht von der konstanten Modulationsteilfolge b1(n) stammen, sondern von hinteren Werten der Modulationsteilfolge b2(n) der vorhergehenden Periode, so dass diese Werte effektiv nicht zur jeweiligen Betragsspitze der FFT beitragen.
  • - Wegen der halben Länge der FFT sind Auflösung und Genauigkeit für die Dopplerbestimmung, d. h. die Bestimmung der radialen Relativgeschwindigkeit um Faktor zwei schlechter.
  • - Die zeitliche Korrelation von ẽ2,j(n) mit b2(n) zur Bestimmung der Entfernung hat nur die halbe Länge. Damit reduziert sich der Dynamikbereich bei mehr als einem Objekt pro Pixel um 3dB, d. h. ein Objekt mit starkem Reflektionssignal erhöht den Rauschpegel relativ zu dem Pegel eines Objekts mit schwächerem Reflektionssignal um 3dB mehr, so dass die Wahrscheinlichkeit für das Nichtdetektieren eines solchen zweiten Objekts höher ist.
  • - Bei kontinuierlich scannenden Systemen können grundsätzlich Pixel überlappen, d. h. manche der Empfangswerte e(n) werden für zwei benachbarte Pixel benutzt, insbesondere um eine längere Datenaufnahmezeit pro Pixel und damit eine bessere Sensitivität zu erzielen. Bei einer Modulationsfolge nach 35 gibt es aber nur die Möglichkeit eines Überlapps von 50%, da man ja in jedem Pixel beide Modulationsteilfolgen benötigt. Kleinere Überlappe, welche häufig bevorzugt werden, sind nicht möglich.
Disadvantageous compared to a modulation sequence according to 2 and evaluation via a two-dimensional correlation E m,k according to (6) or (8) are in particular the following points:
  • - The sensitivity is slightly more than 3dB lower if the same duration of a pixel is assumed; half the length of the FFT (from the receive subsequence e 1 (n)) as well as half the length of the temporal correlation (from ẽ 2,j (n) to the modulation subsequence b 2 (n)) leads to 3dB loss, and in addition - as explained above - there is the effect that, especially for distant targets, the first values of the receive subsequence ẽ 1 (n) do not come from the constant modulation subsequence b 1 (n), but from rear values of the modulation subsequence b 2 (n) of the previous period, so that these values effectively do not contribute to the respective magnitude peak of the FFT.
  • - Because the FFT is half the length, the resolution and accuracy for the Doppler determination, ie the determination of the radial relative velocity, are worse by a factor of two.
  • - The temporal correlation of ẽ 2,j (n) with b 2 (n) for determining the distance is only half the length. This reduces the dynamic range by 3 dB when there is more than one object per pixel, ie an object with a strong reflection signal increases the noise level by 3 dB more relative to the level of an object with a weaker reflection signal, so that the probability of not detecting such a second object is higher.
  • - In continuously scanning systems, pixels can generally overlap, ie some of the reception values e(n) are used for two adjacent pixels, in particular to achieve a longer data acquisition time per pixel and thus a better sensitivity. In a modulation sequence according to 35 However, there is only the possibility of an overlap of 50%, since both modulation subsequences are required in each pixel. Smaller overlaps, which are often preferred, are not possible.

Diese Nachteile der Modulationsfolge nach 35 und der oben erläuterten zugehörigen Auswertung, welche Stand der Technik sind, können durch die neue Modulationsfolge nach 36 zu einem signifikanten Teil behoben werden, ohne dass die für die Auswertung benötigte Rechenleistung signifikant ansteigt. Bei der Modulationsfolge b(n) nach 36 sind die beiden bisherigen Modulationsteilfolgen b1(n) und b2(n) alternierend ineinander geschachtelt: b 1 ( n ) = 1 mit n = 0,2,4, , N 2 ,

Figure DE102023201147A1_0114
b 2 ( n ) = ± 1 mit n = 1,3,5, , N 1 .
Figure DE102023201147A1_0115
These disadvantages of the modulation sequence according to 35 and the associated evaluation explained above, which are state of the art, can be achieved by the new modulation sequence according to 36 can be eliminated to a significant extent without significantly increasing the computing power required for the evaluation. For the modulation sequence b(n) according to 36 the two previous modulation subsequences b 1 (n) and b 2 (n) are alternately nested within each other: b 1 ( n ) = 1 with n = 0,2,4, , N 2 ,
Figure DE102023201147A1_0114
b 2 ( n ) = ± 1 with n = 1,3,5, , N 1 .
Figure DE102023201147A1_0115

Somit erstrecken sich beide Modulationsteilfolgen jeweils über die volle Modulationsdauer, wobei sie jeweils nur jeden zweiten Rasterwert einnehmen.Thus, both modulation subsequences extend over the full modulation duration, taking up only every second grid value.

Die von einem Objekt i generierte Empfangsteilfolge e1,i(n) zur ersten, konstanten Modulationsteilfolge b1(n) kann entweder bei geradzahligen oder ungeradzahligen Werten von n liegen, abhängig davon, ob die diskrete Laufzeit m0,i des jeweiligen Objekts geradzahlig oder ungeradzahlig ist (hier wird zuerst angenommen, dass m0,i ganzzahlig ist): e 1, i ( n ) = a i exp ( 2 π j ^ n / N k 0, i ) mit n = 0,2,4, , N 2 oder n = 1,3,5, , N 1 ;

Figure DE102023201147A1_0116
bei diesem Bereich vom Index n stammen die ersten Werte vom Ende der vorherigen Modulationsperiode (wegen der Laufzeit des jeweiligen Objekts) - im Gegensatz zur vorher betrachteten Modulationsfolge nach 35 kommen diese Werte aber auch von der ersten, konstanten Modulationsfolge, sodass sie auch kohärent zur späteren FFT beitragen. Wegen der zwei möglichen Lagen der Empfangsteilfolgen e1,i(n) muss die FFT zur Bestimmung der Dopplerfrequenzen der Objekte nun zweimal berechnet werden - einmal über die erste Folge e ˜ 1,1 ( n ) = e ( n ) mit n = 0,2,4, , N 2 ,
Figure DE102023201147A1_0117
und einmal über die zweite Folge e ˜ 1,2 ( n ) = e ( n ) mit n = 1,3,5, , N 1 .
Figure DE102023201147A1_0118
The reception subsequence e 1,i (n) generated by an object i for the first, constant modulation subsequence b 1 (n) can be either even or odd values of n, depending on whether the discrete runtime m 0,i of the respective object is even or odd (here it is first assumed that m 0,i is an integer): e 1, i ( n ) = a i ex ( 2 π j ^ n / N k 0, i ) with n = 0,2,4, , N 2 or n = 1,3,5, , N 1 ;
Figure DE102023201147A1_0116
in this range of index n, the first values come from the end of the previous modulation period (due to the running time of the respective object) - in contrast to the previously considered modulation sequence after 35 However, these values also come from the first, constant modulation sequence, so that they also contribute coherently to the later FFT. Because of the two possible positions of the reception sub-sequences e 1,i (n), the FFT for determining the Doppler frequencies of the objects must now be calculated twice - once over the first sequence e ˜ 1.1 ( n ) = e ( n ) with n = 0,2,4, , N 2 ,
Figure DE102023201147A1_0117
and once about the second episode e ˜ 1.2 ( n ) = e ( n ) with n = 1,3,5, , N 1 .
Figure DE102023201147A1_0118

Die beiden FFTs E ˜ 1,1, k _ = FFT k _ ( e ˜ 1,1 ( n ) ) = FFT k _ ( e ( n ) ) mit n = 0,2,4, , N 2 ,

Figure DE102023201147A1_0119
E ˜ 1,2, k _ = FFT k _ ( e ˜ 1,2 ( n ) ) = FFT k _ ( e ( n ) ) mit n = 1,3,5, , N 1
Figure DE102023201147A1_0120
beziehen sich auf die Ausgangsdimension, also die diskrete Frequenz k = 0,...,N/2-1, welche mit der bisher betrachteten diskreten Frequenz k wegen der effektiv halben Abtastrate über k _ = mod N / 2 ( k )
Figure DE102023201147A1_0121
zusammenhängt. In 37 sind die beiden FFTs nach Bez. (79) betragsmäßig für zwei Objekte gleicher Empfangsamplitude bei (m0,1,k0,1) = (300,3846) und (m0,2, k0,2) = (101,1000) dargestellt; das erste Objekt bei der geradzahligen diskreten Laufzeit m0,1 = 300 bildet eine Betragssitze in der ersten FFT Ẽ1,1,k bei der Dopplerfrequenz k0,1 = k0,1-N/2 = 1798, das zweite Objekt bei der ungeradzahligen diskreten Laufzeit m0,2 = 101 bildet eine Betragssitze in der zweiten FFT Ẽ1,2,k bei der Dopplerfrequenz k0,2 = k0,2 = 1000.The two FFTs E ˜ 1,1, k _ = FFT k _ ( e ˜ 1.1 ( n ) ) = FFT k _ ( e ( n ) ) with n = 0,2,4, , N 2 ,
Figure DE102023201147A1_0119
E ˜ 1,2, k _ = FFT k _ ( e ˜ 1.2 ( n ) ) = FFT k _ ( e ( n ) ) with n = 1,3,5, , N 1
Figure DE102023201147A1_0120
refer to the output dimension, i.e. the discrete frequency k = 0,...,N/2-1, which is related to the previously considered discrete frequency k due to the effectively half sampling rate via k _ = mod N / 2 ( k )
Figure DE102023201147A1_0121
related. In 37 the two FFTs according to (79) are shown in terms of magnitude for two objects of the same reception amplitude at (m 0,1 ,k 0,1 ) = (300,3846) and (m 0,2 , k 0,2 ) = (101,1000); the first object with the even-numbered discrete transit time m 0,1 = 300 forms a magnitude seat in the first FFT Ẽ 1,1,k at the Doppler frequency k 0,1 = k 0,1 -N/2 = 1798, the second object with the odd-numbered discrete transit time m 0,2 = 101 forms a magnitude seat in the second FFT Ẽ 1,2,k at the Doppler frequency k 0,2 = k 0,2 = 1000.

Die Betragsspitzen der beiden FFTs Ẽ1,1,k und Ẽ1,2,k werden auf eine Detektionsschwelle überprüft. Die Frequenzen k0,j der J über der Detektionsschwelle liegenden Betragsspitzen werden für die Weiterverarbeitung benutzt; typischerweise sieht man diese Betragsspitzen jeweils in zwei benachbarten FFT-Werten (da sie nicht - wie im obigen Beispiel betrachtet - bei einem ganzzahligen Dopplerindex k0,j liegen), so dass durch Interpolation dann jeweils ihre genau Lage, also eine nicht ganzzahlige Frequenz k0,j bestimmt werden kann. Abgesehen von einem eventuell fehlenden Anteil N/2 (wegen der Modulofunktion nach Bez. (80)) entsprechen diese Frequenzen k0,j zumindest näherungsweise den Dopplerfrequenzen k0,i der Objekte oder einer Teilmenge von diesen (für Objekte mit sehr geringer Reflektivität kann es sein, dass sie zu keiner Betragsspitze über der Detektionsschwelle führen). Für die weitere Verarbeitung muss auch berücksichtigt werden, in welcher der beiden FFTs die Betragsspitze bei k0,j detektiert wurde, also ob die zugehörige diskrete Laufzeit geradzahlig oder ungeradzahlig ist; dazu wird die Größe m _ i { 0,1 }

Figure DE102023201147A1_0122
eingeführt, wobei mj = 0 ist, wenn die Betragsspitze in erster FFT Ẽ1,1,k auftritt und mj = 1 ist, wenn die Betragsspitze in zweiter FFT Ẽ1,2,k auftritt.The magnitude peaks of the two FFTs Ẽ 1,1,k and Ẽ 1,2,k are checked for a detection threshold. The frequencies k 0,j of the magnitude peaks J above the detection threshold are used for further processing; typically these magnitude peaks are seen in two adjacent FFT values (since they are not - as in the example above - at an integer Doppler index k 0,j ), so that their exact position, i.e. a non-integer frequency k 0,j, can then be determined by interpolation. Apart from a possibly missing component N/2 (due to the modulo function according to (80)), these frequencies k 0,j correspond at least approximately to the Doppler frequencies k 0,i of the objects or a subset of them (for objects with very low reflectivity, they may not lead to any magnitude peak above the detection threshold). For further processing, it must also be taken into account in which of the two FFTs the magnitude peak at k 0,j was detected, i.e. whether the corresponding discrete runtime is even or odd; for this purpose, the size m _ i { 0.1 }
Figure DE102023201147A1_0122
introduced, where m j = 0 if the magnitude peak occurs in the first FFT Ẽ 1,1,k and m j = 1 if the magnitude peak occurs in the second FFT Ẽ 1,2,k .

Die zweite Modulationsteilfolge b2(n) nach Bez. (76b) führt in der Empfangsfolge e(n) zu um m0,i, zeitverschobenen und mit der jeweiligen Dopplerfrequenz k0,i multiplizierten, also modulierten Komponenten e 2, i ( n ) = a i b 2 ( n m 0, i ) exp ( 2 π j ^ n / N k 0, i ) mit n m 0, i = 1,3,5, , N 1 .

Figure DE102023201147A1_0123
The second modulation subsequence b 2 (n) according to (76b) leads in the reception sequence e(n) to components that are time-shifted by m 0,i and multiplied by the respective Doppler frequency k 0,i , i.e. modulated e 2, i ( n ) = a i b 2 ( n m 0, i ) ex ( 2 π j ^ n / N k 0, i ) with n m 0, i = 1,3,5, , N 1 .
Figure DE102023201147A1_0123

Um die jeweilige Modulation durch die Dopplerfrequenz zu eliminieren, wird die Empfangsfolge e(n) um die Frequenz k0,j zurückgedreht: e ˜ 2, j = e ( n + m _ i ) exp ( 2 π j ^ n / N k _ 0, j ) mit n = 1,3,5, , N 1  und j = 1 , J 1 ;

Figure DE102023201147A1_0124
dabei berücksichtigt die in Bez. (81) eingeführte Größe mj, ob die jeweilige Empfangsteilfolge in einem ungeradzahligen oder geradzahligen Raster liegt (also eine geradzahlige oder ungeradzahlige diskrete Laufzeit hat); und es sei noch bemerkt, dass - wie bei der Bestimmung der FFT - bei diesem Bereich vom Index n die ersten Empfangswerte vom Ende der vorherigen Modulationsperiode stammen (wegen der Laufzeit des jeweiligen Objekts), was für die nachfolgende Korrelation wegen der Periodizität der gesamten Modulationsfolge (hat Periode N) aber nicht die Kohärenz verletzt.To eliminate the respective modulation by the Doppler frequency, the reception sequence e(n) is rotated back by the frequency k 0,j : e ˜ 2, j = e ( n + m _ i ) ex ( 2 π j ^ n / N k _ 0, j ) with n = 1,3,5, , N 1 and j = 1 , J 1 ;
Figure DE102023201147A1_0124
the quantity m j introduced in (81) takes into account whether the respective reception subsequence lies in an odd or even grid (i.e. has an even or odd discrete running time); and it should also be noted that - as in the determination of the FFT - in this range of index n the first reception values come from the end of the previous modulation period (due to the running time of the respective object), which does not violate the coherence for the subsequent correlation due to the periodicity of the entire modulation sequence (has period N).

Die so modifizierten Folgen ẽ2,j(n) beinhalten im korrespondierenden Index j zyklisch verschobene Modulationsteilfolgen ai·b2(modN(n-m0,i)). Beiträge von Objekten mit anderen Dopplerfrequenzen k0,i (also k0,i ≠ k0,j) stellen eine zu b2(n) unkorrelierte Modulationsfolge dar, da sie noch mit der Differenzfrequenz k0,i-k0,j moduliert sind; gleiches gilt für Beiträge mit anderem mj, da diese mit b1(n) moduliert sind. Deshalb können nun die Folgen ẽ2,j(n) mit der zweiten Modulationsteilfolge b2(n) zyklisch korreliert werden: E ˜ 2, j , m _ _ = sum n = 1,3, , N 1 ( e ˜ 2, j ( n ) b 2 ( mod N ( n m _ _ ) ) ) mit  m _ _ = 0,2, , M 2  und j = 1, J 1 .

Figure DE102023201147A1_0125
The sequences ẽ 2,j (n) modified in this way contain cyclically shifted modulation subsequences a i ·b 2 (mod N (nm 0,i )) in the corresponding index j. Contributions from objects with other Doppler frequencies k 0,i (i.e. k 0,i ≠ k 0,j ) represent a modulation sequence that is uncorrelated with b 2 (n), since they are still modulated with the difference frequency k 0,i -k 0,j ; the same applies to contributions with a different m j , since these are modulated with b 1 (n). Therefore, the sequences ẽ 2,j (n) can now be cyclically correlated with the second modulation subsequence b 2 (n): E ˜ 2, j , m _ _ = sum n = 1,3, , N 1 ( e ˜ 2, j ( n ) b 2 ( mod N ( n m _ _ ) ) ) with m _ _ = 0.2, , M 2 and j = 1, J 1 .
Figure DE102023201147A1_0125

In diesen eindimensionalen Korrelationen E ˜ 2, j , m _ _

Figure DE102023201147A1_0126
treten Betragsspitzen an den Stellen m _ _ 0, j = m 0, i m _ i
Figure DE102023201147A1_0127
auf, also an den diskreten Laufzeiten m0,i von Objekten minus der in Bez. (83) angewendeten Verschiebung mj, so dass sich die diskrete Laufzeit jeweils zu m 0, i = m _ _ 0, j + m _ i
Figure DE102023201147A1_0128
ergibt. Für das obige Beispiel mit zwei Objekten sind in 38 die Beträge der beiden Korrelationen E ˜ 2,1, m _ _
Figure DE102023201147A1_0129
zu ẽ2,1(n) mit k0,1 = 1798 und m1 = 0 sowie E ˜ 2,2, m _ _
Figure DE102023201147A1_0130
zu ẽ2,2(n) mit k0,2 = 1000 und m2 = 1 dargestellt; die Betragsspitzen liegen bei den Werten m _ _ 0,1 = 300
Figure DE102023201147A1_0131
sowie m _ _ 0,2 = 100,
Figure DE102023201147A1_0132
welche zu den diskreten Laufzeiten m 0,1 = m _ _ 0,1 + m _ 1 = 300
Figure DE102023201147A1_0133
sowie m 0,2 = m _ _ 0,2 + m _ 2 = 101
Figure DE102023201147A1_0134
korrespondieren.In these one-dimensional correlations E ˜ 2, j , m _ _
Figure DE102023201147A1_0126
peak amounts occur at the points m _ _ 0, j = m 0, i m _ i
Figure DE102023201147A1_0127
, i.e. the discrete running times m 0,i of objects minus the shift m j applied in Req. (83), so that the discrete running time is m 0, i = m _ _ 0, j + m _ i
Figure DE102023201147A1_0128
For the above example with two objects, in 38 the amounts of the two correlations E ˜ 2.1, m _ _
Figure DE102023201147A1_0129
to ẽ 2,1 (n) with k 0,1 = 1798 and m 1 = 0 and E ˜ 2,2, m _ _
Figure DE102023201147A1_0130
to ẽ 2,2 (n) with k 0,2 = 1000 and m 2 = 1; the absolute values peak at m _ _ 0.1 = 300
Figure DE102023201147A1_0131
as well as m _ _ 0.2 = 100,
Figure DE102023201147A1_0132
which are at the discrete terms m 0.1 = m _ _ 0.1 + m _ 1 = 300
Figure DE102023201147A1_0133
as well as m 0.2 = m _ _ 0.2 + m _ 2 = 101
Figure DE102023201147A1_0134
correspond.

Aus dem Index j der Korrelation E ˜ 2, j , m _ _ ,

Figure DE102023201147A1_0135
bei welcher die Betragsspitze auftritt, und der zu diesem j gehörigen Dopplerfrequenz k0,j ergibt sich die Dopplerfrequenz k0,i des Objekts nur bis auf einen potenziellen Offset von N/2 - siehe Bez. (80), welche berücksichtigt, dass die Dopplerfrequenz aus einer Folge mit halber Abtastrate bestimmt wird, d. h., eine zusätzliche halbe Periode auf volle Abtastrate bezogen kann damit nicht erkannt werden. Allerdings führt eine solche halbe Periode dazu, dass die komplexen Werte bei den jeweiligen Betragsspitzen in FFT Ẽ1,1,k bzw. Ẽ1,2,k und Korrelation E ˜ 2, j , m _ _ ,
Figure DE102023201147A1_0136
zueinander um 180° gedreht sind, während sie im anderen Fall (also keine zusätzliche halbe Periode in Dopplerfrequenz) gleiche Phase haben. Mit diesem Zusammenhang lässt sich die Mehrdeutigkeit zur jeweiligen Dopplerfrequenz k0,i lösen, indem die beiden komplexen Werte korrigiert um die möglichen Phasenverschiebungen (0° und 180°) aufaddiert werden, also die Summe und Differenz der beiden komplexen Werte gebildet wird - hat die Summe größeren Betrag als die Differenz, dann ist die Dopplerfrequenz k0,i = k0,j, im anderen Fall ist die Dopplerfrequenz k0,i = k0,j+N/2; im obigen Beispiel ist für das erste Objekt (also für k=k0,1 und m _ _ = m _ _ 0,1
Figure DE102023201147A1_0137
) die Differenz E ˜ 1,1, k _ E ˜ 2,1, m _ _
Figure DE102023201147A1_0138
größer als die Summe E ˜ 1,1, k _ E ˜ 2,1, m _ _
Figure DE102023201147A1_0139
(wegen näherungsweiser Gegenphasigkeit der beiden Komponenten), so dass die Dopplerfrequenz k0,1 = k0,1+N/2 = 3846 ist, und für das zweite Objekt (also für k=k0,2 und m _ _ = m _ _ 0,2
Figure DE102023201147A1_0140
) ist die Summe E ˜ 1,2, k _ + E ˜ 2,2, m _ _
Figure DE102023201147A1_0141
größer als die Differenz E ˜ 1,2, k _ + E ˜ 2,2, m _ _
Figure DE102023201147A1_0142
(wegen näherungsweiser Gleichphasigkeit der beiden Komponenten), so dass die Dopplerfrequenz k0,2 = k0,2 = 1000 ist. Weil die Dopplerfrequenz nun über die volle Dauer einer Modulationsperiode bestimmt wird, besteht nicht mehr der Nachteil der Modulationsfolge nach 35 (gemäß Stand der Technik), wo Auflösung und Genauigkeit für die Dopplerbestimmung um Faktor zwei reduziert sind, da die FFT nur über halbe Modulationsdauer bestimmt wird.From the index j of the correlation E ˜ 2, j , m _ _ ,
Figure DE102023201147A1_0135
at which the magnitude peak occurs and the Doppler frequency k 0,j associated with this j, the Doppler frequency k 0,i of the object is only determined up to a potential offset of N/2 - see reference (80), which takes into account that the Doppler frequency is determined from a sequence with half the sampling rate, i.e. an additional half period related to the full sampling rate cannot be detected. However, such a half period leads to the complex values at the respective magnitude peaks in FFT Ẽ 1,1,k or Ẽ 1,2,k and correlation E ˜ 2, j , m _ _ ,
Figure DE102023201147A1_0136
are rotated by 180° to each other, while in the other case (i.e. no additional half period in Doppler frequency) they have the same phase. With this connection, the ambiguity for the respective Doppler frequency k 0,i can be resolved by adding the two complex values corrected for the possible phase shifts (0° and 180°), i.e. the sum and difference of the two complex values are formed - if the sum has a larger value than the difference, then the Doppler frequency k 0,i = k 0,j , in the other case the Doppler frequency k 0,i = k 0,j +N/2; in the above example, for the first object (i.e. for k=k 0,1 and m _ _ = m _ _ 0.1
Figure DE102023201147A1_0137
) the difference E ˜ 1,1, k _ E ˜ 2.1, m _ _
Figure DE102023201147A1_0138
greater than the sum E ˜ 1,1, k _ E ˜ 2.1, m _ _
Figure DE102023201147A1_0139
(due to the approximate antiphase of the two components), so that the Doppler frequency is k 0.1 = k 0.1 +N/2 = 3846, and for the second object (i.e. for k=k 0.2 and m _ _ = m _ _ 0.2
Figure DE102023201147A1_0140
) is the sum E ˜ 1,2, k _ + E ˜ 2,2, m _ _
Figure DE102023201147A1_0141
greater than the difference E ˜ 1,2, k _ + E ˜ 2,2, m _ _
Figure DE102023201147A1_0142
(due to the approximate in-phase nature of the two components), so that the Doppler frequency is k 0.2 = k 0.2 = 1000. Because the Doppler frequency is now determined over the full duration of a modulation period, the disadvantage of the modulation sequence according to 35 (according to the state of the art), where resolution and accuracy for the Doppler determination are reduced by a factor of two, since the FFT is only determined over half the modulation duration.

Mit den oben dargestellten Zusammenhängen und Vorgehensweisen können aus den über einer Detektionsschwelle liegenden Betragsspitzen der Korrelationen E ˜ 2, j , m _ _

Figure DE102023201147A1_0143
die Entfernungen und radialen Relativgeschwindigkeiten von Objekten in der jeweiligen Erfassungsrichtung bestimmt werden. Es sei bemerkt, dass Beiträge von Objekten mit jeweils anderen Dopplerfrequenzen k0,i (also k0,i ≠ k0,j) und/oder anderem Wert mj wegen ihrer Unkorreliertheit zu b2(n) nur zu Rauschen in den jeweiligen Korrelationen führen, also zu keinen Betragsspitzen über einer Detektionsschwelle; bei etwa gleich starken Reflexionssignalen von Objekten liegt dieses Rauschen deutlich unter den interessierenden Betragsspitzen und verdeckt diese damit nicht - nur wenn Reflexionssignale von Objekten stark unterschiedlich sind, können Objekte mit starkem Reflexionssignal über ihr Rauschen schwache Reflexionssignale mit anderer Dopplerfrequenz verdecken.With the relationships and procedures presented above, the peak values of the correlations above a detection threshold can be used to E ˜ 2, j , m _ _
Figure DE102023201147A1_0143
the distances and radial relative velocities of objects in the respective detection direction are determined. It should be noted that contributions from objects with different Doppler frequencies k 0,i (i.e. k 0,i ≠ k 0,j ) and/or other values m j only lead to noise in the respective correlations due to their uncorrelatedness to b 2 (n), i.e. to no magnitude peaks above a detection threshold; if reflection signals from objects are approximately equally strong, this noise is significantly below the magnitude peaks of interest and thus does not obscure them - only if reflection signals from objects are very different can objects with a strong reflection signal obscure weak reflection signals with a different Doppler frequency with their noise.

Alternativ zum Ansatz, dass Detektionen aus über einer Detektionsschwelle liegenden Betragsspitzen der Korrelationen E ˜ 2, j , m _ _

Figure DE102023201147A1_0144
generiert werden, kann man die oben eingeführten Summen und Differenzen von FFT Ẽ1,1,k bzw. Ẽ1,2,k mit k = k0,j und Korrelation E ˜ 2, j , m _ _
Figure DE102023201147A1_0145
auf eine Detektionsschwelle prüfen, da derjenige Wert von Summe und Differenz, bei welchem die beiden Komponenten FFT und Korrelation phasenrichtig, d. h. kohärent, aufaddiert werden, ein um 3dB besseres Signal-zu-Rauschverhältnis aufweist als die Korrelation selber; dies ergibt sich daraus, dass bei der Summe bzw. Differenz über die ganze Modulationsfolge b(n) integriert wird, bei der Korrelation aber nur über die halbe. Damit hat die Summe bzw. Differenz auch das gleiche Signal-zu-Rauschverhältnis und damit die gleiche Sensitivität wie die optimale zweidimensionale Korrelation Em,k nach Bez. (6). Allerdings gilt das nur dann, wenn man in der FFT an der jeweils entsprechenden Stelle, also bei k = k0,j, schon eine Betragsspitze detektiert hat; da die FFT wegen halber Integrationsdauer ein 3dB schlechteres Signal-zu-Rauschverhältnis aufweist, muss man eine entsprechend reduzierte Detektionsschwelle anwenden. Diese reduzierte Detektionsschwelle hat eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass fälschlicherweise Rauschspitzen detektiert werden; allerdings werden diese bei der effektiv schärferen Detektionsschwelle von Summe und Differenz von FFT und Korrelation dann wieder verworfen, so dass als einziger Nachteil ein leicht erhöhter Rechenaufwand bleibt (weil Korrelation E ˜ 2, j , m _ _
Figure DE102023201147A1_0146
öfters berechnet werden muss). Es sei noch bemerkt, dass man Summe und Differenz nicht für jedes m _ _
Figure DE102023201147A1_0147
bestimmen muss, sondern dass man die Korrelation E ˜ 2, j , m _ _
Figure DE102023201147A1_0148
auch erst mal auf eine etwa 3dB reduzierte Detektionsschwelle prüfen kann und nur an den Stellen, wo diese Detektionsschwelle überschritten wird, Summe und Differenz bildet. Weil der neue Ansatz aus Modulationsfolge nach 36 und oben beschriebener Auswertung die gleiche Sensitivität wie die optimale zweidimensionale Korrelation Em,k nach Bez. (6) aufweist, ist der Nachteil der Modulationsfolge nach 35 (Stand der Technik) einer 3dB schlechteren Sensitivität behoben. Nun soll noch kurz diskutiert werden, ob der neue Ansatz aus Summe und Differenz von FFT und Korrelation nicht auch bei der Modulationsfolge nach 35 angewendet werden könnte: dies geht nur dann, wenn die Empfangsphase über die ganze Modulationsfolge stabil linear ist (also instantane Frequenz konstant), was insbesondere bei kontinuierlichem räumlichem Scannen wegen Speckle-Effekten nur bedingt gegeben ist.As an alternative to the approach that detections are made from peaks of the correlations above a detection threshold E ˜ 2, j , m _ _
Figure DE102023201147A1_0144
are generated, the sums and differences of FFT Ẽ 1,1,k and Ẽ 1,2,k introduced above with k = k 0,j and correlation E ˜ 2, j , m _ _
Figure DE102023201147A1_0145
check for a detection threshold, since the value of sum and difference at which the two components FFT and correlation are added in phase, ie coherently, has a signal-to-noise ratio that is 3dB better than the correlation itself; this results from the fact that the sum or difference is integrated over the entire modulation sequence b(n), but the correlation is only integrated over half of it. The sum or difference therefore also has the same signal-to-noise ratio and thus the same sensitivity as the optimal two-dimensional correlation E m,k according to (6). However, this only applies if a peak in magnitude has already been detected in the FFT at the corresponding point, i.e. at k = k 0,j ; since the FFT has a 3 dB worse signal-to-noise ratio due to half the integration time, a correspondingly reduced detection threshold must be used. This reduced detection threshold has an increased probability that noise peaks will be detected incorrectly; however, these are then rejected again with the effectively sharper detection threshold of the sum and difference of FFT and correlation, so that the only disadvantage is a slightly increased computational effort (because correlation E ˜ 2, j , m _ _
Figure DE102023201147A1_0146
It should be noted that the sum and difference cannot be calculated for each m _ _
Figure DE102023201147A1_0147
but that one must determine the correlation E ˜ 2, j , m _ _
Figure DE102023201147A1_0148
can also first check for a detection threshold reduced by about 3 dB and only form the sum and difference at the points where this detection threshold is exceeded. Because the new approach from modulation sequence according to 36 and the above-described evaluation has the same sensitivity as the optimal two-dimensional correlation E m,k according to (6), the disadvantage of the modulation sequence according to 35 (state of the art) of a 3dB worse sensitivity. Now we will briefly discuss whether the new approach of sum and difference of FFT and correlation could not also be used for the modulation sequence according to 35 could be applied: this is only possible if the reception phase is stable and linear over the entire modulation sequence (i.e. the instantaneous frequency is constant), which is only partially the case with continuous spatial scanning due to speckle effects.

Der Ansatz von Summe und Differenz von FFT und Korrelation vermeidet auch den Nachteil der Modulationsfolge nach 35 (Stand der Technik) eines um 3dB reduzierten Dynamikbereichs bei mehr als einem Objekt pro Pixel, weil nun über die volle Modulationsfolge integriert wird.The approach of sum and difference of FFT and correlation also avoids the disadvantage of the modulation sequence according to 35 (State of the art) a dynamic range reduced by 3dB with more than one object per pixel, because integration is now carried out over the full modulation sequence.

Ein weiterer Vorteil der neuen Modulationsfolge nach 36 ist, dass beliebige Überlappe für zwei benachbarte Pixel realisiert werden können, da jeder Ausschnitt dieser periodischen Modulationsfolge (Periode N) die charakteristische Eigenschaft nach Bez. (76) hat.Another advantage of the new modulation sequence according to 36 is that arbitrary overlaps for two neighboring pixels can be realized, since each section of this periodic modulation sequence (period N) has the characteristic property according to (76).

Der benötigte Rechenaufwand für den neuen Ansatz mit der Modulationsfolge nach 36 unterscheidet sich von dem für die Modulationsfolge nach 35 (Stand der Technik) durch eine zusätzliche FFT der Länge N/2 (unabhängig von der Anzahl der Objekte im jeweiligen Pixel), wohingegen die Korrelationen nur halbe Länge aufweisen, was allerdings bei der Realisierung der Korrelation im Frequenzbereich (also über FFT und inverse FFT) keinen Vorteil darstellt. Beim typischen Fall von einem Objekt in einem Pixel sind zwei FFTs und eine Korrelation zu bestimmen. Bei dem oben erläuterten Ansatz mit reduzierter Detektionsschwelle für die FFTs können prinzipiell noch zusätzliche Berechnungen der Korrelation auftreten. Damit liegt der benötigte Rechenaufwand immer noch in einer Größenordnung, welche moderne DSPs mit parallelen vektoriellen Recheneinheiten erschließen, was zu einer günstigen Realisierung führt und keine spezielle Rechenlogik benötigt.The required computational effort for the new approach with the modulation sequence according to 36 differs from that for the modulation sequence according to 35 (state of the art) by an additional FFT of length N/2 (independent of the number of objects in the respective pixel), whereas the correlations are only half the length, which, however, is not an advantage when implementing the correlation in the frequency domain (i.e. via FFT and inverse FFT). In the typical case of one object in a pixel, two FFTs and one correlation must be determined. In the approach explained above with a reduced detection threshold for the FFTs, additional calculations of the correlation can in principle occur. The required computing effort is therefore still of a magnitude that modern DSPs with parallel vector computing units can achieve, which leads to a cost-effective implementation and does not require any special computing logic.

Für die Ausgangsdimension der FFT, also die diskrete Frequenz wurde oben (in diesem Abschnitt), wie allgemein üblich, der nicht symmetrisch liegende Bereich k = 0,...,N/2-1 betrachtet - ebenso für die diskrete Frequenz nach Auflösung der Mehrdeutigkeiten der nicht symmetrisch liegende Bereich k = 0,...N-1; die tatsächlichen Relativgeschwindigkeiten und damit Dopplerfrequenzen können beide Vorzeichen annehmen, so dass der obere Bereich, insbesondere die obere Hälfte von k = 0,...N-1 zu negativen Werten durch Subtraktion von N abzubilden ist.For the output dimension of the FFT, i.e. the discrete frequency, the non-symmetrical range k = 0,...,N/2-1 was considered above (in this section), as is generally the case - likewise for the discrete frequency after the ambiguities have been resolved, the non-symmetrical range k = 0,...N-1; the actual relative velocities and thus Doppler frequencies can take on either sign, so that the upper range, in particular the upper half of k = 0,...N-1, can be mapped to negative values by subtracting N.

Alternativ zur bisher betrachteten neuen Modulationsfolge nach 36 kann man für die Modulationsteilfolge b1(n) auch alternierende Werte (also abwechselnd +1 und -1) benutzen - dies ist in 39 dargestellt. Einziger wesentlicher Unterschied ist, dass die Empfangsteilfolgen zu diesem b1(n) eine zusätzlich Frequenz mit Periode zwei (bezogen auf die Modulationsrate von b1(n)) aufweisen, also die Betragsspitzen der beiden zugehörigen FFTs Ẽ1,1,k und Ẽ1,2,k um halbe FFT-Länge N/4 verschoben sind, was für die weitere Verarbeitung entsprechend zu korrigieren ist.As an alternative to the previously considered new modulation sequence according to 36 one can also use alternating values (i.e. alternating +1 and -1) for the modulation subsequence b 1 (n) - this is in 39 The only significant difference is that the receive subsequences for this b 1 (n) have an additional frequency with a period of two (relative to the modulation rate of b 1 (n)), i.e. the magnitude peaks of the two associated FFTs Ẽ 1,1,k and Ẽ 1,2,k are shifted by half the FFT length N/4, which must be corrected accordingly for further processing.

Bisher wurde in diesem Abschnitt der Fall betrachtet, dass die diskrete Laufzeit m0,i ganzzahlig und die Modulationsdauer Tm gleich der Abtastwiederholzeit Ts ist. Für eine nichtganzzahlige diskreter Laufzeit m0,i könnte es im Falle eines ideal rechteckförmigen Modulationssignals, welches seine ideale Form auch im Empfangssignal behält, passieren, dass genau an der Flanke abtastet wird, wo keine sinnvolle Information zu erhalten ist. Um dies zu vermeiden, kann die Abtastwiederholzeit Ts der Empfangsfolge kleiner, z. B. halb so groß wie die Modulationsdauer Tm vorgesehen werden und/oder die Form der Modulationspulse wird entweder direkt bei ihrer Generierung oder im Empfänger auf eine z. B. näherungsweise dreiecksförmige Gestalt verschliffen (letzteres realisiert ein im Empfänger vorhandener Tiefpass inhärent). Beim Ansatz mit Verschleifen des Modulationssignals und dem allgemeinen Fall einer nicht ganzzahligen diskreter Laufzeit m0,i treten in beiden FFTs Ẽ1,1,k und Ẽ1,2,k Betragsspitzen auf, so dass die Korrelation E ˜ 2, j , m _ _

Figure DE102023201147A1_0149
für beide mj = 0,1 bestimmt und durch Interpolation der Werte der Betragsspitzen beider Korrelationen das nichtganzzahlige m0,i ermittelt werden kann (man könnte auch schon durch Interpolation der Werte der Betragsspitzen der beiden FFTs das nichtganzzahlige m0,i bestimmen oder durch Kombination, also Summe bzw. Differenz der Werte von FFT und Korrelation). Beim Ansatz einer z. B. halb so großen Abtastzeit Ts (im Vergleich zur Modulationsdauer Tm) weist das Ineinanderschachteln der beiden Modulationsteilfolgen bezüglich der Abtastzeit die Periode 4 auf und im Empfangssignal stammen jeweils zwei aufeinanderfolgende Abtastwerte von der ersten Folge b1(n) und die nächsten zwei Abtastwerte von der zweiten Folge b2(n); deshalb sind zum einen für die Empfangsteilfolgen e1,i(n) vier mögliche Lagen zu berücksichtigen, also vier FFTs Ẽ1,1,k,...,Ẽ1,4,k zu berechnen, und zum anderen sind dabei die zu b2(n) korrespondierenden Abtastwerte zu Null zu setzen (weil sie nicht mehr im Raster der Periode 2 liegen und somit einfach weggelassen werden können), so dass die FFT über volle Anzahl der Empfangswerte (im Gegensatz zu halben Anzahl bisher) zu berechnen ist. In zumindest einem Teil dieser FFTs treten dann von einem einzelnen Objekt drei Betragsspitzen auf; die größte an der richtigen Position, also der Dopplerfrequenz des Objekts (Mehrdeutigkeiten gibt es im Gegensatz zu oben keine mehr, was von Vorteil ist), und zwei weitere, um 3dB kleinere Betragsspitzen ein Viertel der FFT-Länge davor und danach (diese sind für die weitere Verarbeitung zu ignorieren). Da in mehreren der vier FFTs Ẽ1,1,k,...,Ẽ1,4,k Betragsspitzen auftreten, kann durch Interpolation eine nichtganzzahlige diskrete Laufzeit ermittelt werden (unter Verwendung der Werte der FFTs oder der Korrelationen oder ihrer Kombinationen).So far, this section has considered the case where the discrete transit time m 0,i is an integer and the modulation duration T m is equal to the sampling repetition time T s . For a non-integer discrete transit time m 0,i, in the case of an ideal rectangular modulation signal which also retains its ideal shape in the received signal, it could happen that sampling takes place exactly at the edge where no useful information can be obtained. To avoid this, the sampling repetition time T s of the received sequence can be made smaller, e.g. half as long as the modulation duration T m and/or the shape of the modulation pulses is adjusted either directly when they are generated or in the receiver to an approximately triangular shape. smoothed (the latter is inherently implemented by a low-pass filter in the receiver). In the approach with smoothing of the modulation signal and the general case of a non-integer discrete delay time m 0,i, magnitude peaks occur in both FFTs Ẽ 1,1,k and Ẽ 1,2,k , so that the correlation E ˜ 2, j , m _ _
Figure DE102023201147A1_0149
for both m j = 0.1 and by interpolating the values of the magnitude peaks of both correlations the non-integer m 0,i can be determined (one could also determine the non-integer m 0,i by interpolating the values of the magnitude peaks of the two FFTs or by combination, i.e. sum or difference of the values of FFT and correlation). If, for example, a sampling time T s is used that is half as long (compared to the modulation duration T m ), the nesting of the two modulation subsequences has a period of 4 with respect to the sampling time and in the received signal two consecutive samples come from the first sequence b 1 (n) and the next two samples from the second sequence b 2 (n); Therefore, on the one hand, four possible positions must be taken into account for the partial reception sequences e 1,i (n), i.e. four FFTs Ẽ 1,1,k ,...,Ẽ 1,4,k must be calculated, and on the other hand, the samples corresponding to b 2 (n) must be set to zero (because they are no longer in the grid of period 2 and can therefore simply be omitted), so that the FFT can be calculated over the full number of reception values (in contrast to half the number previously). In at least some of these FFTs, three magnitude peaks from a single object then occur; the largest at the correct position, i.e. the Doppler frequency of the object (unlike above, there are no more ambiguities, which is an advantage), and two further magnitude peaks, 3 dB smaller, a quarter of the FFT length before and after (these are to be ignored for further processing). Since magnitude peaks occur in several of the four FFTs Ẽ 1,1,k ,...,Ẽ 1,4,k , a non-integer discrete running time can be determined by interpolation (using the values of the FFTs or the correlations or their combinations).

Neben dem bisher betrachteten Fall, dass die beiden Modulationsteilfolgen b1(n) und b2(n) alternierend, also mit Periode zwei ineinander geschachtelt werden, können grundsätzlich auch längere Perioden für das Ineinanderschachteln sowie optional noch eine ungleiche Zahl an Elementen von b1(n) und b2(n) pro Periode verwendet werden.In addition to the case considered so far, in which the two modulation subsequences b 1 (n) and b 2 (n) are nested alternately, i.e. with period two, longer periods can also be used for nesting and optionally an unequal number of elements of b 1 (n) and b 2 (n) per period can be used.

Im bisher in diesem Abschnitt betrachteten Lidarsystem nach 1 ist der Mischer komplexwertig ausgeführt, was gegenüber einem reellwertigen Mischer für den Empfangspfad einen deutlichen Mehraufwand (nahezu doppelt) darstellt. Bei Verwendung eines reellwertigen Mischers könnte man nur den Betrag der Relativgeschwindigkeit ermitteln, nicht das Vorzeichen, da es in den FFTs zwei Betragsspitzen bei +k0 und -k0 gibt. Zur Ermittlung des Vorzeichens wären Ansätze über Plausibilisierung und/oder Tracking, d. h. Verfolgung über mehrere Aufnahmezyklen nötig. Alternativ kann man - wie auch oben erläutert - eine komplexwertige Modulationsfolge, z. B. bestehend aus den 4 Werten 0, +ĵ, -1, -ĵ (zu den 4 äquidistanten Phasenwerten φj = 0,90°, 180°, 270°) verwenden. Für die erste Modulationsteilfolge b1(n) rotiert man dann periodisch über die vier Werte 0, +ĵ, -1, -ĵ, so dass bei einem Objekt mit der Relativgeschwindigkeit Null die Betragsspitze bei einem Viertel der FFT-Länge liegt - negative Relativgeschwindigkeiten liegen darunter (haben also geringere Frequenz), positive liegen darüber. Diese erste Modulationsteilfolge b1(n), die ihrerseits eine Periode 4 hat, ist weiterhin alternierend mit der zweiten Modulationsteilfolge b2(n) verschachtelt, welche auch diese vier Werte 0, +ĵ, -1, -ĵ z. B. in pseudozufälliger Folge annehmen kann. Zwar benötigt die Erzeugung einer solchen komplexwertigen Folge einen erhöhten Schaltungsaufwand (siehe z. B. 34), aber dieser wird nur einmal benötigt, während bei einem parallelen Empfänger der Aufwand für einen komplexwertigen Empfänger vielfach anfällt. Bei einer komplexwertigen Modulationsfolge ist für die Korrelation das konjugiert Komplexe der Modulationsfolge zu benutzen. Alternativ kann man auch das konjugiert Komplexe der Empfangsfolge benutzen, sofern diese komplexwertig ist.In the lidar system considered so far in this section, 1 the mixer is complex-valued, which represents a significant additional effort (almost twice) compared to a real-valued mixer for the receiving path. When using a real-valued mixer, only the magnitude of the relative speed could be determined, not the sign, since there are two magnitude peaks in the FFTs at +k 0 and -k 0. To determine the sign, approaches using plausibility checks and/or tracking, i.e. tracking over several recording cycles, would be necessary. Alternatively, as explained above, a complex-valued modulation sequence can be used, e.g. consisting of the 4 values 0, +ĵ, -1, -ĵ (for the 4 equidistant phase values φ j = 0.90°, 180°, 270°). For the first modulation sub-sequence b 1 (n), the four values 0, +ĵ, -1, -ĵ are rotated periodically, so that for an object with a relative speed of zero, the peak value is at a quarter of the FFT length - negative relative speeds are below this (and therefore have a lower frequency), positive ones are above this. This first modulation sub-sequence b 1 (n), which in turn has a period of 4, is also alternately interleaved with the second modulation sub-sequence b 2 (n), which can also take on these four values 0, +ĵ, -1, -ĵ, e.g. in a pseudo-random sequence. The generation of such a complex-valued sequence requires increased circuit complexity (see e.g. 34 ), but this is only needed once, whereas with a parallel receiver the effort for a complex-valued receiver is required many times over. With a complex-valued modulation sequence, the complex conjugate of the modulation sequence is to be used for the correlation. Alternatively, the complex conjugate of the received sequence can also be used, provided that this is complex-valued.

Bisher wurde der Fall betrachtet, dass für die FFT keine Fensterfunktion benutzt wird, also keine Multiplikation der Eingangswerte der FFT mit einer Art Glockenkurve; dies wäre nur nötig bzw. sinnvoll, wenn in gleicher Entfernung in einem Pixel zwei Objekte mit ähnlicher Relativgeschwindigkeit und deutlich unterschiedlicher Reflexionsstärke auftreten können und separiert werden sollen. Insbesondere wenn keine Fensterfunktion am Eingang der FFT benutzt wird, wird die Sensitivität am Ausgang der FFT dann reduziert (also das Detektionsvermögen von Objekten mit schwacher Reflektivität und hoher Entfernung), wenn der zur Relativgeschwindigkeit korrespondierende Dopplerindex nicht ganzzahlig ist, also sich die Betragsspitze auf zwei benachbarte FFT-Werte aufteilt. Dieser Effekt kann dadurch reduzieret werden, dass die Länge der FFT höher gewählt wird als die ihres Eingangssignals, d. h. es werden an das Eingangssignal Nullen angehängt, was als Zero-Padding bezeichnet wird.So far, the case has been considered where no window function is used for the FFT, i.e. no multiplication of the FFT input values with a kind of bell curve; this would only be necessary or useful if two objects with similar relative speed and significantly different reflection strengths can occur at the same distance in a pixel and are to be separated. In particular, if no window function is used at the input of the FFT, the sensitivity at the output of the FFT is reduced (i.e. the detection capability of objects with weak reflectivity and a large distance) if the Doppler index corresponding to the relative speed is not an integer, i.e. the peak value is divided between two neighboring FFT values. This effect can be reduced by choosing the length of the FFT to be longer than that of its input signal, i.e. zeros are appended to the input signal, which is known as zero padding.

Hinsichtlich der zweiten Modulationsteilfolge b2(n) sei noch bemerkt, dass sie nicht nur aus einem pseudozufälligen Wechsel zwischen diskreten Phasenwerten gebildet sein kann, sondern auch aus einem Code, dessen Autokorrelierte geringe Nebenkeulen aufweist - z. B. einem aus der Literatur bekannten Gold-Code. Dies führt zu einem höheren Dynamikbereich der Korrelation, allerdings nur dann, wenn es keine Signalanteile (z. B. von Objekten anderer Relativgeschwindigkeit) gibt, welche im zu korrelierenden Signal Rauschen darstellen.Regarding the second modulation subsequence b 2 (n), it should be noted that it can be formed not only from a pseudorandom alternation between discrete phase values, but also from a code whose autocorrelates have low side lobes - e.g. a Gold code known from the literature. This leads to a higher dynamic range of the correlation, but only if there is no signal nal components (e.g. from objects with a different relative speed) which represent noise in the signal to be correlated.

Die in diesem Abschnitt vorgestellten Modulationsfolgen bestehend aus zwei Teilfolgen, welche nach Stand der Technik sequenziell angeordnet oder in neuem Ansatz ineinander geschachtelt sind, können erfindungsgemäß auch in Kombination mit einer sich linear ändernden Frequenz nach Bez. (9) benutzt werden; ein Beispiel dazu zeigt 40. Einzige Auswirkung ist, dass die Empfangsfrequenz fe neben der Dopplerverschiebung fD noch einen laufzeitbedingten Anteil fr aufweist (siehe Bez. (12)); alle obigen Betrachtungen gelten somit weiterhin, einzig zu berücksichtigen ist, dass für die Bestimmung der Relativgeschwindigkeit von der Empfangsfrequenz noch der laufzeitabhängige Anteil abzuziehen ist, wobei die Laufzeit aus der Korrelation bekannt ist. Die überlagerte Frequenzmodulation ermöglicht die oben erörterten Systemansätze (insbesondere das kontinuierliche räumliche Scannen über Frequenz) und Vorteile (insbesondere Vorzeichenbestimmung der Empfangsfrequenz bei reellwertigem Mischer). Die in den vorhergehenden Abschnitten vorgestellten Ansätze sind auch für diese Phasenmodulation gültig bzw. lassen sich auf sie übertragen.The modulation sequences presented in this section, consisting of two sub-sequences, which are arranged sequentially according to the state of the art or are nested in a new approach, can also be used according to the invention in combination with a linearly changing frequency according to (9); an example of this is shown in 40 The only effect is that the reception frequency f e has a propagation time component f r in addition to the Doppler shift f D (see reference (12)); all of the above considerations therefore still apply, the only thing to be taken into account is that the propagation time component must be deducted from the reception frequency to determine the relative speed, whereby the propagation time is known from the correlation. The superimposed frequency modulation enables the system approaches discussed above (in particular continuous spatial scanning over frequency) and advantages (in particular determination of the sign of the reception frequency with a real-valued mixer). The approaches presented in the previous sections are also valid for this phase modulation or can be transferred to it.

Es sei noch bemerkt, dass für die Erkennung der Straßenoberfläche in größeren Entfernungen die konstante oder periodische Teilfolge b1(n) den Vorteil hat, dass sie das Empfangssignal nicht über diskrete Entfernungen aufspaltet, so dass die gesamte Strahlbreite wirksam wird und das Signal-zu-Rauschverhältnis damit viel besser ist, wodurch sich schon eine hohe Wahrscheinlichkeit der Detektion der Straßenoberfläche im einzelnen Pixel ergibt.It should also be noted that for the detection of the road surface at greater distances, the constant or periodic subsequence b 1 (n) has the advantage that it does not split the received signal over discrete distances, so that the entire beam width is effective and the signal-to-noise ratio is thus much better, which already results in a high probability of detecting the road surface in the individual pixel.

Funktionsüberprüfung des ScannensScanning functionality check

Würde das Scannen in eine oder beide Raumrichtungen insbesondere auf Grund eines Hardwarefehlers nicht funktionieren, so würde es in manchen Strahlrichtungen zu einer hohen Energiedichte kommen (weil sich dort das System deutlich häufiger als im Nominalzustand aufhält), wodurch die erlaubten Grenzwerte für Augensicherheit überschritten werden könnten. Deshalb muss das Scannen überwacht werden und sobald es zu einem Fehler kommt, ist die Abstrahlung des Lidarsensors zu stoppen.If scanning in one or both spatial directions were not to work, particularly due to a hardware error, there would be a high energy density in some beam directions (because the system is in that direction much more often than in the nominal state), which could result in the permitted limits for eye safety being exceeded. Therefore, scanning must be monitored and as soon as an error occurs, the emission of the lidar sensor must be stopped.

Wenn der Sensor in eine Raumrichtung nicht mehr scannt, dann sind die Empfangssignale in dieser Raumrichtung über alle Pixel bei jeweils gleicher anderer Raumrichtung unverändert - abgesehen vom Systemrauschen und bewegten Objekten. Deshalb wird in beide Raumrichtungen auf Änderungen der Empfangssignale geprüft. Ein erster Ansatz ist, die Objektreflektionen, also die Betragsspitzen über einer Detektionsschwelle zu vergleichen; wie oben schon angedeutet muss man alle bewegten Objekte dabei ausschließen, wobei eine Identifikation über die gemessene Relativgeschwindigkeit und die bekannte Eigengeschwindigkeit möglich ist. Ein zweiter Absatz benutzt die näherungsweise bei Entfernung Null liegenden Empfangssignalanteile von internen Reflektionen und Verkopplungen sowie Reflektionen einer Abdeckung; diese werden ohnehin für eine Kompensation der Effekte (durch Korrekturwerte c1(n) in festverdrahteter Rechenlogik nach 8 und 10) bestimmt - dies wurde oben erläutert. Dabei wird benutzt, dass diese Empfangsanteile sich über das Scannen im Allgemeinen ändern.If the sensor no longer scans in one spatial direction, the received signals in this spatial direction are unchanged across all pixels in the same other spatial direction - apart from system noise and moving objects. Therefore, changes in the received signals are checked in both spatial directions. A first approach is to compare the object reflections, i.e. the peak values above a detection threshold; as already indicated above, all moving objects must be excluded, whereby identification is possible via the measured relative speed and the known speed of the object. A second paragraph uses the received signal components from internal reflections and couplings, as well as reflections from a cover, which are approximately at a distance of zero; these are used anyway to compensate for the effects (by correction values c 1 (n) in hard-wired calculation logic according to 8 and 10 ) - this was explained above. It is used to show that these reception components generally change during scanning.

Abschließende BemerkungenConcluding remarks

Anhand der obigen Anwendungsbeispiele lassen sich die dargestellten erfindungsgemäßen Überlegungen und Ausführungen auf allgemeine Bemessungen und Parameterauslegungen in einfacher Weise übertragen, d. h., sie können auch auf andere Zahlenwerte angewendet werden. Deshalb sind in Formeln und Bildern auch häufig allgemeine Parameter angegeben.Based on the above application examples, the inventive considerations and designs presented can be easily transferred to general measurements and parameter interpretations, i.e. they can also be applied to other numerical values. For this reason, general parameters are often given in formulas and images.

Einige der dargestellten neue Ansätze sind nicht nur in Kombination mit anderen, sondern schon für sich neu gegenüber dem Stand der Technik; als Beispiele sei genannt:

  • - die Ansätze zum Bestimmen und Realisieren der Korrekturwerte, um die Effekte von Verkopplungen und Reflektionen innerhalb des Lidarsystems oder von seiner unmittelbaren Umgebung, insbesondere einer Abdeckung zu kompensieren, können auch ohne überlagerte Frequenzmodulation benutzt werden,
  • - die Ansätze mit einer Sende-Empfangs-Einheit mit einem oder mehreren Wellenleitern für Scannen über Frequenz in erste Raumrichtung und einem Scanner für zweite Raumrichtung können auch in Kombination mit anderen Modulationsformen benutzt werden, insbesondere wenn die Frequenz schrittweise geändert wird, oder sogar für nichtkohärente Lidarsysteme,
  • - der Ansatz zur Bestimmung von Winkelfehlern (z. B. durch Änderung von Hardwareeigenschaften oder Fehlausrichtung des Sensors) ist auch bei anderen Modulationsformen nutzbar, da er im Wesentlichen nur auf der inhärent gegebenen Dopplermessfähigkeit von kohärenten Lidarsystemen basiert,
  • - der Ansatz zur Bestimmung der Lage der Straßenoberfläche in größeren Entfernungen kann auch bei anderen Modulationsformen, also beispielweise bei der reinen linearen Frequenzmodulation (meist aus zwei Frequenzrampen bestehend, deren Steigung entgegengesetztes Vorzeichen haben), benutzt werden; die benutzten Korrelationswerte beruhen dann auf einer entsprechend anderen Korrelationsberechnung (bei rein linearer Frequenzmodulation in Form einer FFT pro Frequenzrampe),
  • - der Ansatz zur Vorzeichenbestimmung der Empfangsfrequenz bei reellwertigem Mischer mit Hilfe nichtbinärer Phasenmodulation kann auch ohne überlagerte Frequenzmodulation benutzt werden.
Some of the new approaches presented are not only new in combination with others, but are new in themselves compared to the state of the art; examples include:
  • - the approaches for determining and implementing the correction values to compensate for the effects of couplings and reflections within the lidar system or from its immediate environment, in particular a cover, can also be used without superimposed frequency modulation,
  • - the approaches with a transmit-receive unit with one or more waveguides for scanning over frequency in the first spatial direction and a scanner for the second spatial direction can also be used in combination with other forms of modulation, in particular when the frequency is changed step by step, or even for non-coherent lidar systems,
  • - the approach for determining angular errors (e.g. by changing hardware properties or misalignment of the sensor) can also be used with other forms of modulation, since it is essentially based only on the inherent Doppler measurement capability of coherent lidar systems,
  • - the approach for determining the position of the road surface at greater distances can also be used for other forms of modulation, for example for pure linear frequency modulation (usually consisting of two frequency ramps whose slopes have opposite signs); the correlation values used are then based on a correspondingly different correlation calculation (for pure linear frequency modulation in the form of one FFT per frequency ramp),
  • - the approach for determining the sign of the reception frequency in a real-valued mixer using non-binary phase modulation can also be used without superimposed frequency modulation.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • „Phase-Coded-Based Modulation for Coherent Lidar" von Sebastian Banzhaf und Christian Waldschmidt, veröffentlicht in IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 70, NO. 10, OCTOBER 2021 [0219]"Phase-Coded-Based Modulation for Coherent Lidar" by Sebastian Banzhaf and Christian Waldschmidt, published in IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 70, NO. 10, OCTOBER 2021 [0219]

Claims (46)

Kohärent arbeitendes Lidarsystem zur Umgebungserfassung, welches ein phasenmoduliertes Signal, insbesondere einen unregelmäßigen Wechsel über diskrete Phasenwerte, vorzugsweise über nur zwei um näherungsweise 180° unterschiedliche Phasenwerte beinhaltend, aussendet, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz, auf welche die Phase moduliert ist, sich zumindest abschnittsweise kontinuierlich ändert, vorzugsweise mit zumindest näherungsweise linearem Verlauf.Coherently operating lidar system for environmental detection, which emits a phase-modulated signal, in particular an irregular change over discrete phase values, preferably over only two phase values that differ by approximately 180°, characterized in that the frequency to which the phase is modulated changes continuously at least in sections, preferably with at least approximately a linear progression. Lidarsystem nach Anspruch 1, welches - die von Objekten rückreflektierten Signale, welche gegenüber dem ausgesendeten Signal durch die entfernungsabhänge Laufzeit verzögert und in der Frequenz sowohl durch den relativgeschwindigkeitsabhängigen Dopplereffekt als auch durch die entfernungsabhängige Laufzeit bedingt durch die lineare Frequenzänderung verschoben sind, empfängt und durch Mischung in ein niederfrequentes Signal umsetzt sowie in eine Empfangsfolge digitalisiert, - in digitalen Signalverarbeitungsmitteln eine zweidimensionale Korrelationsfilterung zur Bestimmung der variablen Dimensionen Zeitverschiebung und Frequenzverschiebung von an Objekten reflektierten Signalen durchführt, und - jeweils aus der ermittelten Zeitverschiebung die Objektentfernung und aus der ermittelten Frequenzverschiebung abzüglich ihres durch die Zeitverschiebung bewirkten Beitrages die radiale Relativgeschwindigkeit des Objekts bestimmt.Lidar system according to Claim 1 , which - receives the signals reflected back from objects, which are delayed compared to the transmitted signal by the distance-dependent propagation time and are shifted in frequency both by the relative speed-dependent Doppler effect and by the distance-dependent propagation time caused by the linear frequency change, and converts them into a low-frequency signal by mixing and digitizes them into a reception sequence, - carries out two-dimensional correlation filtering in digital signal processing means to determine the variable dimensions time shift and frequency shift of signals reflected from objects, and - determines the object distance from the determined time shift and the radial relative speed of the object from the determined frequency shift minus the contribution caused by the time shift. Lidarsystem nach Anspruch 2, bei welchem zumindest ein Teil des zweidimensionalen Korrelationsfilters durch eine als Pipeline ausgeführte festverdrahtete Digitalschaltung realisiert ist, wobei pro Takt der Digitalschaltung mehrere oder alle Ausgangswerte in einer der beiden Dimensionen bestimmt werden und über eine Folge von Takten in der anderen Dimension.Lidar system according to Claim 2 , in which at least part of the two-dimensional correlation filter is realized by a hard-wired digital circuit designed as a pipeline, wherein several or all output values in one of the two dimensions are determined per clock cycle of the digital circuit and via a sequence of clock cycles in the other dimension. Lidarsystem nach Anspruch 3, bei welchem die festverdrahtete Digitalschaltung eine vordere Stufe aufweist, in welcher eine Signalfolge oder deren konjugiert komplexe Werte und eine Phasenmodulationsfolge oder deren konjugiert komplexe Werte mit einer zueinander verschobenen Lage multipliziert werden, gegebenenfalls gefolgt von einer Dezimation der aus dieser Multiplikation entstehenden Folge und/oder gegebenenfalls gefolgt von einer Erweiterung mit Nullen und gefolgt von einer in mehreren Stufen realisierten schnellen Fouriertransformation, wobei jede einzelne Rechenoperation in einer dedizierten Schaltung realisiert ist und von Takt zu Takt in der ersten Stufe die Verschiebung zwischen Signal- und Modulationsfolge geändert wird und am Ausgang der hinteren Stufe das Ergebnis einer Fouriertransformation entsteht, wobei sich dieses Ergebnis jeweils auf mehrere Zyklen zuvor erzeugte Ausgangsdaten der vorderen Stufe bezieht.Lidar system according to Claim 3 , in which the hard-wired digital circuit has a front stage in which a signal sequence or its conjugate complex values and a phase modulation sequence or its conjugate complex values are multiplied by a position shifted relative to one another, optionally followed by a decimation of the sequence resulting from this multiplication and/or optionally followed by an expansion with zeros and followed by a fast Fourier transformation implemented in several stages, wherein each individual arithmetic operation is implemented in a dedicated circuit and from cycle to cycle in the first stage the shift between signal and modulation sequence is changed and the result of a Fourier transformation is produced at the output of the rear stage, wherein this result relates in each case to output data of the front stage generated several cycles previously. Lidarsystem nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei welchem die festverdrahtete Digitalschaltung auf Grund ihrer hohen Durchsatzrate für mehrere bzw. vorzugsweise alle Pixel benutzt wird, wobei diese Pixel insbesondere durch Scannen von Lichtstrahlen und/oder parallele Empfangspfade generiert sein können.Lidar system according to one of the Claims 3 or 4 , in which the hard-wired digital circuit is used for several or preferably all pixels due to its high throughput rate, whereby these pixels can be generated in particular by scanning light beams and/or parallel reception paths. Lidarsystem nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei welchem die festverdrahtete Digitalschaltung wenigstens eines der nachfolgenden Merkmale aufweist: - die im digitalisierten Empfangssignal enthaltenen Anteile von Verkopplungen und Reflektionen innerhalb des Lidarsystems oder von seiner unmittelbaren Umgebung, insbesondere einer Abdeckung, werden durch Addition oder Subtraktion einer Kompensationsfolge weitgehend eliminiert; - es wird eine binäre Phasenmodulation, insbesondere bestehend aus nur zwei um näherungsweise 180° unterschiedlichen Phasenwerten, benutzt und die Multiplikationen mit den Werten der Modulationsfolge werden dann durch schaltbare Invertierer realisiert; - die für die schnelle Fouriertransformation benötigten Signalmultiplikationen mit Drehfaktoren werden mit wenigen Additionen und/oder Subtraktionen von verschobenen Signalwerten realisiert, wobei vorzugsweise maximal eine Addition oder Subtraktion zur Realisierung einer reellwertigen Multiplikation benutzt wird; - die verwendete Bitlänge ändert sich über Pipelinestufen der festverdrahteten Digitalschaltung und ist vorzugsweise jeweils nur so groß, dass das in der Digitalschaltung erzeugte Quantisierungsrauschen nicht signifikant das Systemrauschen, welches im analogen Teil des Empfängers entsteht, erhöht; - die schnelle Fouriertransformation wird in Form einer Struktur mit Dezimation in Frequenz ausgeführt, um ein Umsortieren der Eingangsdaten in Form von langen Leitungen zu vermeiden, sowie die längsten Leitungen der Struktur und die nichttrivialen Multiplikationen in den vorderen Stufen mit ihrer geringeren Bitlänge zu haben; - es wird zur Quantisierung ein Abschneiden und/oder zur Invertierung ein rein bitweises Invertieren benutzt und die Effekte der dabei entstehenden mittleren Fehler werden durch Addition von Korrekturwerten in einer Stufe der Digitalschaltung kompensiert; - die festverdrahtete Digitalschaltung ist um eine oder mehrere weitere Stufen zur Auswertung des Ergebnisses der zweidimensionalen Korrelation erweitert, insbesondere zur Betrags- oder Leistungsbildung und nachgelagerten Summenbildung und/oder Maximumssuche.Lidar system according to one of the Claims 3 or 4 , in which the hard-wired digital circuit has at least one of the following features: - the components of couplings and reflections contained in the digitized received signal within the lidar system or from its immediate surroundings, in particular a cover, are largely eliminated by adding or subtracting a compensation sequence; - a binary phase modulation, in particular consisting of only two phase values that differ by approximately 180°, is used and the multiplications with the values of the modulation sequence are then implemented by switchable inverters; - the signal multiplications with rotation factors required for the fast Fourier transformation are implemented with a few additions and/or subtractions of shifted signal values, whereby preferably a maximum of one addition or subtraction is used to implement a real-valued multiplication; - the bit length used varies across pipeline stages of the hardwired digital circuit and is preferably only so large that the quantisation noise generated in the digital circuit does not significantly increase the system noise generated in the analogue part of the receiver; - the fast Fourier transform is carried out in the form of a structure with decimation in frequency in order to avoid re-sorting the input data in the form of long lines, as well as having the longest lines of the structure and the non-trivial multiplications in the front stages with their smaller bit length; - truncation is used for quantization and/or purely bit-by-bit inversion is used for inversion and the effects of the resulting mean errors are compensated by adding correction values in a stage of the digital circuit; - the hard-wired digital circuit is extended by one or more further stages for evaluating the result of the two-dimensional correlation, in particular for magnitude or power formation and subsequent summation and/or maximum search. Lidarsystem nach Anspruch 6, bei welchem die im digitalisierten Empfangssignal enthaltene Anteile von Verkopplungen und Reflektionen innerhalb des Lidarsystems oder von seiner unmittelbaren Umgebung, insbesondere einer Abdeckung, dadurch bestimmt werden, dass zumindest einer der nachfolgenden Ansätze benutzt wird: - über Produkt aus Empfangsfolge und Modulationsfolge zu jeweils gleichem oder ähnlichem Zeitpunkt werden ein oder mehrere Mittelwerte bestimmt, wobei mehrere Mittelwerte durch Betrachtung mehrerer Abschnitte und/oder unterschiedlicher Phasenwertkombinationen der Phasenmodulationsfolge gebildet werden; - zur Bildung eines Mittelwerts über alle Werte des Produkts aus Empfangsfolge und Modulationsfolge wird der Ausgangswert der festverdrahteten Digitalschaltung, welcher zur Frequenz Null der Fouriertransformation und zur Verschiebung Null zwischen Signal- und Modulationsfolge in erster Stufe gehört, benutzt, vorzugsweise unter Aussetzung des Taktens der ersten Stufe während der Berechnung dieses Wertes; - es werden Mittelwerte über mehrere Erfassungszyklen und/oder über unterschiedliche, bevorzugt nahe beieinanderliegende Pixel gebildet.Lidar system according to Claim 6 , in which the proportions of couplings and reflections contained in the digitized received signal within the lidar system or from its immediate surroundings, in particular a cover, are determined by using at least one of the following approaches: - one or more average values are determined via the product of the received sequence and the modulation sequence at the same or similar time, wherein several average values are formed by considering several sections and/or different phase value combinations of the phase modulation sequence; - to form an average over all values of the product of the received sequence and the modulation sequence, the output value of the hard-wired digital circuit, which belongs to the zero frequency of the Fourier transformation and to the zero shift between the signal and modulation sequence in the first stage, is used, preferably by suspending the clocking of the first stage during the calculation of this value; - average values are formed over several acquisition cycles and/or over different, preferably closely spaced pixels. Lidarsystem nach Anspruch 7, bei welchem die im digitalisierten Empfangssignal enthaltenen Anteile von Verkopplungen und Reflektionen innerhalb des Lidarsystems oder von seiner unmittelbaren Umgebung, insbesondere einer Abdeckung, durch eine Folge kompensiert werden, welche in der festverdrahteten Digitalschaltung durch vorzeichenrichtige Zuordnung von einem oder mehreren über das Produkt aus Empfangsfolge und Modulationsfolge bestimmten Mittelwerten gebildet wird.Lidar system according to Claim 7 , in which the components of couplings and reflections contained in the digitized received signal within the lidar system or from its immediate surroundings, in particular a cover, are compensated by a sequence which is formed in the hard-wired digital circuit by assigning, with the correct sign, one or more mean values determined via the product of the received sequence and the modulation sequence. Lidarsystem nach einem der Ansprüche 2-8, bei welchem - die Empfangsfolge oder deren konjugiert komplexe Werte und die Phasenmodulationsfolge oder deren konjugiert komplexe Werte mit einer zueinander verschobenen Lage multipliziert werden, wobei die jeweilige Verschiebung zu einer Laufzeit korrespondiert, - die resultierende Produktfolge mit einer Folge von komplexen Drehfaktoren mit zumindest näherungsweise sich linear ändernder Phase multipliziert wird, wobei die Drehfaktoren für die jeweilige Laufzeit den Frequenzbeitrag der linearen Frequenzmodulation zumindest teilweise kompensieren, wobei gegebenenfalls zusätzlich noch ein Frequenzoffset realisiert wird, - gegebenenfalls danach eine Dezimation der Abtastrate der Folge durchgeführt wird, - eine diskrete Fouriertransformation vorzugsweise realisiert über eine schnelle Fouriertransformation folgt und - dies für alle interessierenden Laufzeiten durchgeführt wird, wobei die Folge der komplexen Drehfaktoren sich über die jeweilige Zeitverschiebung ändert.Lidar system according to one of the Claims 2 - 8 , in which - the reception sequence or its conjugate complex values and the phase modulation sequence or its conjugate complex values are multiplied by a position shifted relative to one another, the respective shift corresponding to a running time, - the resulting product sequence is multiplied by a sequence of complex rotation factors with an at least approximately linearly changing phase, the rotation factors for the respective running time at least partially compensating for the frequency contribution of the linear frequency modulation, where appropriate, a frequency offset is additionally implemented, - if appropriate, a decimation of the sampling rate of the sequence is then carried out, - a discrete Fourier transformation follows, preferably implemented via a fast Fourier transformation, and - this is carried out for all running times of interest, the sequence of complex rotation factors changing over the respective time shift. Lidarsystem nach einem der Ansprüche 2-9, bei welchem die Frequenzmodulation nicht genau linear ist und Linearitätsfehler dadurch berücksichtigt werden, dass bei der zweidimensionalen Korrelationsfilterung im Wesentlichen - die Empfangsfolge oder deren konjugiert komplexe Werte und die Phasenmodulationsfolge oder deren konjugiert komplexe Werte mit einer zueinander verschobenen Lage multipliziert werden, wobei die jeweilige Verschiebung zu einer Laufzeit korrespondiert, - die resultierende Produktfolge mit einer Folge von komplexen Drehfaktoren multipliziert wird, wobei die Drehfaktoren für die jeweilige Laufzeit den nicht konstanten Frequenzbeitrag der nichtlinearen Frequenzmodulation zumindest näherungsweise korrigieren, - eine diskrete Fouriertransformation vorzugsweise realisiert über eine schnelle Fouriertransformation folgt und - dies für alle interessierenden Laufzeiten durchgeführt wird, wobei die Folge der komplexen Drehfaktoren zur Korrektur der Linearitätsfehler der Frequenzmodulation sich über die jeweilige Zeitverschiebung ändert.Lidar system according to one of the Claims 2 - 9 , in which the frequency modulation is not exactly linear and linearity errors are taken into account in that in the two-dimensional correlation filtering essentially - the reception sequence or its conjugate complex values and the phase modulation sequence or its conjugate complex values are multiplied by a position shifted relative to one another, wherein the respective shift corresponds to a running time, - the resulting product sequence is multiplied by a sequence of complex rotation factors, wherein the rotation factors for the respective running time at least approximately correct the non-constant frequency contribution of the non-linear frequency modulation, - a discrete Fourier transformation follows, preferably implemented via a fast Fourier transformation, and - this is carried out for all running times of interest, wherein the sequence of complex rotation factors for correcting the linearity errors of the frequency modulation changes over the respective time shift. Lidarsystem nach einem der Ansprüche 6-10, bei welchem die Multiplikationen mit den komplexen Drehfaktoren zur Korrektur der Linearitätsfehler der Frequenzmodulation und/oder zur laufzeitabhängigen Frequenzverschiebung gegebenenfalls zusammengefasst auch in der festverdrahten Digitalschaltung realisiert sind, vorzugsweise über einzelne programmierbare Strukturen mit geringer Genauigkeit im Bereich weniger Bits und damit geringem Aufwand.Lidar system according to one of the Claims 6 - 10 , in which the multiplications with the complex rotation factors for correcting the linearity errors of the frequency modulation and/or for the runtime-dependent frequency shift are also possible in the hard-wired digital circuit. are preferably implemented via individual programmable structures with low precision in the range of a few bits and thus low effort. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei welchem eine vorzeichenrichtige Bestimmung der Empfangsfrequenz und damit die eindeutige Bestimmung der Relativgeschwindigkeit von Objekten bei Verwendung eines reellwertigen Mischers dadurch realisiert wird, dass insbesondere bei weiter entfernten Objekten wegen dem bekannten laufzeitabhängigen Anteil der Frequenzverschiebung nur eine Relativgeschwindigkeitshypothese möglich oder zumindest plausibler ist.Lidar system according to one of the above claims, in which a determination of the reception frequency with the correct sign and thus the unambiguous determination of the relative speed of objects when using a real-valued mixer is realized in that, particularly for more distant objects, only a relative speed hypothesis is possible or at least more plausible due to the known time-dependent component of the frequency shift. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei welchem eine vorzeichenrichtige Bestimmung der Empfangsfrequenz und damit die eindeutige Bestimmung der Relativgeschwindigkeit von Objekten bei Verwendung eines reellwertigen Mischers dadurch realisiert wird, dass die Steilheit der Frequenzänderung variiert wird und für ein Objekt Daten zu unterschiedlicher Steilheit erfasst und ausgewertet werden und dabei benutzt wird, dass die beiden Frequenzverschiebungseffekte von Relativgeschwindigkeit und Laufzeit dann in unterschiedlicher Relation zueinander stehen.Lidar system according to one of the above claims, in which a determination of the reception frequency with the correct sign and thus the unambiguous determination of the relative speed of objects when using a real-valued mixer is realized by varying the steepness of the frequency change and collecting and evaluating data for an object at different steepnesses and using the fact that the two frequency shift effects of relative speed and transit time are then in different relations to one another. Lidarsystem nach Anspruch 13, bei welchem das Vorzeichen, aber nicht der Betrag der Steilheit der Frequenzänderung variiert wird, so dass sich die beiden Frequenzverschiebungseffekte von Relativgeschwindigkeit und Laufzeit mit unterschiedlichem Vorzeichen aufaddieren und so das Vorzeichen der Empfangsfrequenz bestimmt werden kann.Lidar system according to Claim 13 , in which the sign, but not the amount of the steepness of the frequency change is varied, so that the two frequency shift effects of relative velocity and transit time add up with different signs and thus the sign of the reception frequency can be determined. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei welchem die Frequenzänderung benutzt wird, um die Strahlrichtung zu ändern, insbesondere in zumindest abschnittsweise kontinuierlicher Art, um so Daten für mehrere Pixel unterschiedlicher Richtung erfassen zu können.Lidar system according to one of the above claims, in which the frequency change is used to change the beam direction, in particular in at least partially continuous manner, in order to be able to record data for several pixels of different directions. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei welchem eine Strahlrichtungsänderung durch Frequenzänderung dadurch realisiert wird, dass ein Wellenleiter mit mehreren Koppelstellen, vorzugsweise in äquidistantem Raster auf einer Linie, zum Senden und Empfangen benutzt wird.Lidar system according to one of the above claims, in which a change in beam direction by frequency change is realized by using a waveguide with several coupling points, preferably in an equidistant grid on a line, for transmission and reception. Lidarsystem nach Anspruch 16, bei welchem die Strahlrichtungsänderung durch Frequenzänderung für eine erste Raumrichtung benutzt wird und es eine weitere Vorrichtung zur Strahlrichtungsänderung für eine zweite Raumrichtung gibt, welche zur ersten zumindest näherungsweise senkrecht steht, wobei vorzugsweise eine der beiden Raumrichtungen horizontal ist und die andere dann vertikal.Lidar system according to Claim 16 , in which the beam direction change by frequency change is used for a first spatial direction and there is a further device for beam direction change for a second spatial direction which is at least approximately perpendicular to the first, wherein preferably one of the two spatial directions is horizontal and the other is then vertical. Lidarsystem nach einem der Ansprüche 16 oder 17, bei dem eine Strahlrichtungsänderung dadurch realisiert wird, dass Material durchstrahlt oder von Material reflektiert wird, bei welchem wenigstens eine optische Materialeigenschaft durch eine Steuergröße, insbesondere durch Anlegen von Spannung oder Durchfließen von Strom, geändert wird, wobei die Steuergröße und damit die Änderung der optischen Materialeigenschaft örtlich unterschiedlich sein kann.Lidar system according to one of the Claims 16 or 17 , in which a change in beam direction is realized by irradiating material or reflecting it from material, in which at least one optical material property is changed by a control variable, in particular by applying voltage or passing current, wherein the control variable and thus the change in the optical material property can be locally different. Lidarsystem nach Anspruch 17 und 18, bei welchem für Strahlrichtungsänderung für zweite Raumrichtung ein Körper aus vorzugsweise monolithischem Material durchstrahlt wird, welcher in Orientierungsrichtung des Wellenleiters einen konstanten, insbesondere dreieckförmigem Querschnitt aufweist und gegebenenfalls mit einer ebenfalls in dieser Dimension konstanten Querschnitt aufweisenden Linse für eine Strahlbündelung für die zweite Raumrichtung kombiniert sein kann, wobei die elektrische Steuergröße zum Verändern der optischen Eigenschaft bezüglich der Orientierungsrichtung des Körpers mit konstantem Körperquerschnitt angelegt ist.Lidar system according to Claim 17 and 18 , in which a body made of preferably monolithic material is irradiated for the beam direction change for the second spatial direction, which body has a constant, in particular triangular, cross-section in the orientation direction of the waveguide and can optionally be combined with a lens also having a constant cross-section in this dimension for beam bundling for the second spatial direction, wherein the electrical control variable is designed to change the optical property with respect to the orientation direction of the body with a constant body cross-section. Lidarsystem nach Anspruch 17 und 18, bei welchem für Strahlrichtungsänderung für zweite Raumrichtung ein ebenes transparentes oder reflektierendes Flüssigkristallelement mit eindimensionaler Gitterstruktur und Steuerung über eine Spannung eingesetzt wird.Lidar system according to Claim 17 and 18 , in which a flat transparent or reflective liquid crystal element with a one-dimensional lattice structure and control via a voltage is used for beam direction change for a second spatial direction. Lidarsystem nach Anspruch 17 und 18, bei welchem für Strahlrichtungsänderung für zweite Raumrichtung ein transparentes oder reflektierendes Flüssigkristall-Array eingesetzt wird, wobei dieses Flüssigkristall-Array in Orientierungsrichtung des Wellenleiters jeweils nur wenige Elemente, vorzugsweise nur ein einziges, dann stabförmiges Element aufweist, vorzugsweise dieses Flüssigkristall-Array auch zur alleinigen Strahlbündelung oder Unterstützung der Strahlbündelung einer Linse für die zweite Raumrichtung benutzt wird und vorzugsweise mit Hilfe des Flüssigkristall-Arrays auch Fertigungstoleranzen der optisch relevanten Komponenten und ihrer Anordnung zueinander kompensiert werden.Lidar system according to Claim 17 and 18 , in which a transparent or reflective liquid crystal array is used for beam direction change for a second spatial direction, wherein this liquid crystal array has only a few elements in the orientation direction of the waveguide, preferably only a single, then rod-shaped element, preferably this liquid crystal array is also used for the sole beam bundling or support of the beam bundling of a lens for the second spatial direction and preferably with the help of the liquid crystal array also manufacturing tolerances of the optically relevant components and their arrangement relative to one another are compensated. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei welchem es mehrere parallel arbeitende Sende-Empfangspfade mit jeweils einem Wellenleiter für Strahlrichtungsänderung in erster Raumrichtung durch Frequenzänderung gibt, vorzugsweise gespeist von einer gemeinsamen Laserquelle mit nachfolgender Phasenmodulation, und diese mehreren Sende-Empfangspfade in zumindest eine der beiden Raumrichtungen parallel unterschiedliche Strahlrichtungen erschließen.Lidar system according to one of the above claims, in which there are several transmit-receive paths operating in parallel, each with a waveguide for beam direction change in the first spatial direction by frequency change, preferably fed by a common laser source with subsequent phase modulation, and these several transmit-receive paths open up different beam directions in parallel in at least one of the two spatial directions. Lidarsystem nach Anspruch 22, bei dem unterschiedliche Strahlrichtungen in der zweiten Raumrichtung sowohl durch mehrere parallel arbeitende Sende-Empfangspfade mit vorzugsweise gleichartig strahlenden und parallel nebeneinanderliegenden Wellenleitern als auch durch Änderung der optischen Eigenschaft eines durchstrahlten oder reflektierenden Materials über eine elektrische Steuergröße erzeugt werden und die Strahlrichtungen durch mehrere parallel arbeitende Sende-Empfangspfade für jeweils eine Ansteuerung des durchstrahlten oder reflektierenden Materials entweder eine Gruppe direkt benachbarter Pixel adressieren oder eine Gruppe mit zumindest teilweise weiter auseinanderliegenden Pixel, wobei die Ansteuerung des durchstrahlten bzw. reflektierenden Materials sukzessive so geändert wird, dass der gesamte interessierende Strahlrichtungsbereich abgedeckt wird, gegebenenfalls mit größerem Winkelabstand der Pixel nach außen hin über eine nichtäquidistante Anordnung der nebeneinanderliegenden Wellenleiter insbesondere mit beabstandeten Gruppen von Wellenleitern, wobei der Abstand innerhalb einer Gruppe nach außen hin zunimmt, und mit dann vorzugsweise nach außen hin zunehmender optischer Strahlbreite in zweiter Raumrichtung.Lidar system according to Claim 22 , in which different beam directions in the second spatial direction are generated both by a plurality of parallel transmitting/receiving paths with preferably similarly radiating and parallel adjacent waveguides and by changing the optical properties of a radiated or reflecting material via an electrical control variable, and the beam directions by a plurality of parallel transmitting/receiving paths for each control of the radiated or reflecting material address either a group of directly adjacent pixels or a group with at least partially further apart pixels, wherein the control of the radiated or reflecting material is successively changed so that the entire beam direction range of interest is covered, optionally with a larger angular distance of the pixels towards the outside via a non-equidistant arrangement of the adjacent waveguides, in particular with spaced-apart groups of waveguides, wherein the distance within a group increases towards the outside, and with then preferably an optical beam width increasing towards the outside in the second spatial direction. Lidarsystem nach Anspruch 22, bei dem vorzugsweise parallel und nahe nebeneinanderliegende Wellenleiter unterschiedlich sind, um durch gleiche Frequenzänderung unterschiedliche Strahlrichtungsbereiche in erster Raumrichtung zu erschließen, so dass durch einen einzelnen Wellenleiter nur noch ein Teil des Strahlrichtungsbereichs in erster Raumrichtung abgedeckt wird.Lidar system according to Claim 22 , in which waveguides preferably arranged parallel and close to one another are different in order to open up different beam direction ranges in the first spatial direction by means of the same frequency change, so that only a part of the beam direction range in the first spatial direction is covered by a single waveguide. Lidarsystem nach Anspruch 24, bei dem die Strahlrichtungsänderung in zweite Raumrichtung in kontinuierlicher Weise mit Hilfe eines elektronischen oder mechanischen Ansatzes realisiert wird, wodurch ein langsames Scannen über Frequenzänderung in erster Raumrichtung insbesondere dadurch ermöglicht wird, dass während einem kompletten Scan in zweite Raumrichtung das Scannen über kontinuierliche Frequenzänderung in erste Raumrichtung nur jeweils etwa ein Pixel voranschreitet.Lidar system according to Claim 24 , in which the beam direction change in the second spatial direction is realized in a continuous manner with the aid of an electronic or mechanical approach, whereby a slow scanning via frequency change in the first spatial direction is made possible in particular by the fact that during a complete scan in the second spatial direction the scanning via continuous frequency change in the first spatial direction only progresses by approximately one pixel at a time. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei welchem es mehrere parallel arbeitende und vorzugsweise von einer gemeinsamen Laserquelle gespeiste Sende-Empfangspfade mit jeweils einer Schaltmatrix zur sequentiellen Umschaltung innerhalb einer jeweiligen Gruppe von Wellenleitern gibt, wobei die vorzugsweise gleichartigen Wellenleiter jeweils für Strahlrichtungsänderung in erster Raumrichtung durch Frequenzänderung benutzt werden und alle so nebeneinanderliegend angeordnet sind, dass sie die zweite Raumrichtung komplett erschließen, gegebenenfalls mit größerem Winkelabstand der Pixel nach außen hin über eine nichtäquidistante Anordnung der nebeneinanderliegenden Wellenleiter und mit dann vorzugsweise nach außen hin zunehmender optischer Strahlbreite in zweiter Raumrichtung.Lidar system according to one of the above claims, in which there are several transmit-receive paths operating in parallel and preferably fed by a common laser source, each with a switching matrix for sequential switching within a respective group of waveguides, wherein the preferably similar waveguides are each used for beam direction change in the first spatial direction by frequency change and are all arranged next to one another in such a way that they completely open up the second spatial direction, optionally with a larger angular distance of the pixels towards the outside via a non-equidistant arrangement of the adjacent waveguides and with then preferably increasing optical beam width towards the outside in the second spatial direction. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei welchem es einen Sende-Empfangspfad mit einer Schaltmatrix zur sequenziellen Umschaltung zwischen mehreren vorzugsweise parallel und nahe nebeneinanderliegenden Wellenleitern gibt, wobei die Wellenleiter unterschiedlich sind, um durch jeweils gleichartige Frequenzänderung unterschiedliche Strahlrichtungsbereiche in erster Raumrichtung zu erschließen, so dass durch einen einzelnen Wellenleiter nur noch ein Teil des Strahlrichtungsbereichs in erster Raumrichtung abgedeckt wird und der benötigte Frequenzdurchstimmbereich der Laserquelle reduziert ist, und die Strahlrichtungsänderung in zweite Raumrichtung in kontinuierlicher Weise mit Hilfe eines elektronischen oder mechanischen Ansatzes realisiert wird, wodurch eine langsames Scannen über Frequenzänderung in erster Raumrichtung insbesondere dadurch ermöglicht wird, dass während einem kompletten Scan in zweite Raumrichtung das Scannen über kontinuierliche Frequenzänderung in erste Raumrichtung nur etwa ein Pixel voranschreitet.Lidar system according to one of the above claims, in which there is a transmission-reception path with a switching matrix for sequential switching between several waveguides, preferably parallel and close to one another, wherein the waveguides are different in order to open up different beam direction ranges in the first spatial direction by means of a frequency change of the same type, so that only a part of the beam direction range in the first spatial direction is covered by a single waveguide and the required frequency tuning range of the laser source is reduced, and the beam direction change in the second spatial direction is realized in a continuous manner with the aid of an electronic or mechanical approach, whereby slow scanning via frequency change in the first spatial direction is made possible in particular by the fact that during a complete scan in the second spatial direction, the scanning via continuous frequency change in the first spatial direction only progresses by about one pixel. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei dem eine Strahlrichtungsänderung durch Frequenzänderung unterschiedlich schnell ist, insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem zentralen Bereich langsamer ist als in äußeren Bereichen.Lidar system according to one of the above claims, in which a beam direction change due to frequency change is different speeds, in particular characterized in that it is slower in a central region than in outer regions. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei welchem eine Frequenzänderung zur Strahlrichtungsänderung durch eine oder mehrere in der Frequenz verstimmbare Laserquelle generiert wird und bei Benutzung mehrerer Laserquellen jede einzelne nur einen Teil des zur Strahlrichtungsänderung benötigten Frequenzbereichs abdeckt.Lidar system according to one of the above claims, in which a frequency change for changing the beam direction is generated by one or more frequency-tunable laser sources and, when using several laser sources, each one covers only a part of the frequency range required for changing the beam direction. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei welchem eine vorzeichenrichtige Bestimmung der Empfangsfrequenz und damit die eindeutige Bestimmung der Relativgeschwindigkeit von Objekten bei Verwendung eines reellwertigen Mischers dadurch realisiert wird, dass eine Frequenzänderung zur Strahlrichtungsänderung in der ersten Raumrichtung unterschiedliches, insb. alternierendes Vorzeichen über unterschiedliche Strahlrichtungen der zweiten Raumrichtung aufweist und dieses unterschiedliche Vorzeichen in unterschiedlichen, insbesondere benachbarten Strahlrichtungsebenen, in welchen dasselbe Objekt detektiert wird, dazu führt, dass sich die beiden Frequenzverschiebungseffekte von Relativgeschwindigkeit und Laufzeit mit unterschiedlichem Vorzeichen aufaddieren und so das Vorzeichen der Empfangsfrequenz bestimmt werden kann.Lidar system according to one of the above claims, in which a sign-correct determination of the reception frequency and thus the unambiguous determination of the relative speed of objects when using a real-valued mixer is realized in that a frequency change for the beam direction change in the first spatial direction has a different, in particular alternating sign over different beam directions of the second spatial direction and this different sign in different, in particular adjacent beam direction planes in which the same object is detected, leads to the two frequency shift effects of relative speed and transit time adding up with different signs and thus the sign of the reception frequency can be determined. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei dem es insbesondere durch Fehlausrichtung, durch nicht genau bekannte Frequenzen und/oder durch nicht genau bekannte Abhängigkeit der optischen Eigenschaft von der Steuergröße zu Abweichungen in den Strahlrichtungen kommen kann, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen radialen Relativgeschwindigkeiten von stationären Objekten diese Abweichungen bestimmt werden, um diese Abweichungen später zu berücksichtigen und/oder zu korrigieren.Lidar system according to one of the above claims, in which deviations in the beam directions can occur in particular due to misalignment, due to frequencies that are not precisely known and/or due to the dependence of the optical property on the control variable that is not precisely known, characterized in that these deviations are determined from the measured radial relative velocities of stationary objects in order to later take these deviations into account and/or to correct them. Lidarsystem nach Anspruch 31, bei welchem als stationäre Objekte die Straßenoberfläche benutzt wird, vorzugsweise mit Bestimmung ihres Winkels in vertikale Richtung aus der gemessenen Entfernung und der Sensoreinbauhöhe.Lidar system according to Claim 31 , in which the road surface is used as stationary objects, preferably with determination of its angle in the vertical direction from the measured distance and the sensor installation height. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei welchem die Vorrichtungen zur Änderung der Strahlrichtung dazu benutzt werden, eine Fehlausrichtung auszugleichen und/oder den Erfassungsbereich adaptiv, insbesondere abhängig von der Verkehrssituation, anzupassen.Lidar system according to one of the above claims, in which the devices for changing the beam direction are used to compensate for a misalignment and/or to adapt the detection range adaptively, in particular depending on the traffic situation. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche, welches ein phasenmoduliertes Signal aussendet, wobei die Phase dieses Signals durch Schalten zwischen diskreten Werten, also aus einer Folge von Phasenwerten erzeugt wird und die Zeitpunkte dieses Phasenschaltens eine Untermenge eines äquidistanten Zeitrasters bilden, dadurch gekennzeichnet, dass - die Phasenmodulationsfolge zwei sequenziell angeordnete oder zwei periodisch ineinander geschachtelte Folgen beinhaltet, wobei die erste Folge konstante oder periodische, insbesondere alternierende Phasenwerte aufweist, während die zweite Folge im Wesentlichen unregelmäßig zwischen Phasenwerten wechselt, und - die Frequenz, auf welche die Phase moduliert ist, sich zumindest abschnittsweise kontinuierlich ändert, vorzugsweise mit zumindest näherungsweise linearem Verlauf.Lidar system according to one of the above claims, which emits a phase-modulated signal, the phase of this signal being generated by switching between discrete values, i.e. from a sequence of phase values, and the times of this phase switching forming a subset of an equidistant time grid, characterized in that - the phase modulation sequence contains two sequentially arranged sequences or two periodically nested sequences, the first sequence having constant or periodic, in particular alternating phase values, while the second sequence changes essentially irregularly between phase values, and - the frequency to which the phase is modulated changes continuously at least in sections, preferably with at least an approximately linear progression. Lidarsystem nach Anspruch 34, welches - die von Objekten rückreflektierten Signale, welche gegenüber dem ausgesendeten Signal durch die entfernungsabhänge Laufzeit verzögert und in der Frequenz sowohl durch den relativgeschwindigkeitsabhängigen Dopplereffekt als auch durch die entfernungsabhänge Laufzeit bedingt durch die lineare Frequenzänderung verschoben sind, empfängt und durch Mischung in ein niederfrequentes Signal umsetzt sowie in eine Empfangsfolge digitalisiert, - aus dieser Empfangsfolge in digitalen Signalverarbeitungsmitteln die variablen Dimensionen Zeitverschiebung und Frequenzverschiebung von an Objekten reflektierten Signalen bestimmt, wobei die erste Phasenmodulationsfolge mit konstanten oder periodischen Phasenwerten primär zur Bestimmung der Frequenzverschiebung dient und die zweite Phasenmodulationsfolge mit unregelmäßigem Wechsel zwischen Phasenwerten der Bestimmung der Zeitverschiebung, und - jeweils aus der ermittelten Zeitverschiebung die Objektentfernung und aus der ermittelten Frequenzverschiebung abzüglich ihres durch die Zeitverschiebung bewirkten Beitrages die radiale Relativgeschwindigkeit des Objekts berechnet.Lidar system according to Claim 34 , which - receives the signals reflected back from objects, which are delayed compared to the transmitted signal by the distance-dependent propagation time and are shifted in frequency both by the relative speed-dependent Doppler effect and by the distance-dependent propagation time caused by the linear frequency change, and converts them into a low-frequency signal by mixing and digitizes them into a reception sequence, - determines the variable dimensions of time shift and frequency shift of signals reflected from objects from this reception sequence in digital signal processing means, whereby the first phase modulation sequence with constant or periodic phase values primarily serves to determine the frequency shift and the second phase modulation sequence with irregular alternation between phase values determines the time shift, and - calculates the object distance from the determined time shift and the radial relative speed of the object from the determined frequency shift minus the contribution caused by the time shift. Lidarsystem nach Anspruch 34 oder 35, bei welchem die beiden Phasenmodulationsfolgen alternierend ineinander geschachtelt sind, d. h. mit Periode zwei bezogen auf die Modulationsrate.Lidar system according to Claim 34 or 35 , in which the two phase modulation sequences are alternately nested, ie with period two related to the modulation rate. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche 34-36, bei welchem eine aus zwei periodisch ineinander geschachtelten Folgen bestehende Phasenmodulationsfolge periodisch wiederholt wird, wobei insbesondere bei einem kontinuierlichen Scannen des Laserstrahls die zyklische Eigenschaft der Modulations- und Empfangsfolge ausgenutzt und eine Erfassung in jeweils unterschiedlichen Richtungen realisiert wird.Lidar system according to one of the above Claims 34 - 36 , in which a phase modulation sequence consisting of two periodically nested sequences is periodically repeated, whereby the cyclical property of the modulation and reception sequence is exploited, particularly during continuous scanning of the laser beam, and detection is realized in different directions. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche 34-37, bei welchem der Laserstrahl kontinuierlich scannt und für die sukzessiven Erfassungsrichtungen überlappende Ausschnitte einer langen, gegebenenfalls periodischen Phasenmodulationsfolge, welche zwei periodisch ineinander geschachtelte Folgen beinhaltet, benutzt werden.Lidar system according to one of the above Claims 34 - 37 , in which the laser beam scans continuously and overlapping sections of a long, possibly periodic phase modulation sequence, which contains two periodically nested sequences, are used for the successive detection directions. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche 34-38, bei welchem - die Phasenmodulationsfolge zwei periodisch ineinander geschachtelte Folgen beinhaltet, wobei dieses Ineinanderschachteln bezüglich der Abtastzeit der Empfangsfolge die Periode N1 aufweist, - zur Bestimmung der Frequenzverschiebung von Objekten N1 diskrete Fouriertransformationen vorzugsweise mit Hilfe schneller Fouriertransformationen über Werte der Empfangsfolge aus dem periodischen Raster der ersten Folge, gegebenenfalls unterbrochen von Nullen oder erweitert mit Nullen, sowie aus N1-1 Verschiebungen dieses Rasters, wobei die Verschiebung um jeweils einen Rasterwert zunimmt, berechnet werden, - in jeder dieser N1 diskreten Fouriertransformierten die jeweiligen Frequenzen von Betragsspitzen, die über einer Detektionsschwelle liegen, bestimmt werden, - zu den jeweiligen Frequenzen und den jeweiligen Rasterverschiebungen die Empfangsfolge im periodischen und entsprechend verschobenen Raster der zweiten Folge in der Frequenz zurückgedreht wird, - jeweils zwischen der so generierten Folge und der zweiten Modulationsfolge eine Korrelation bestimmt wird, und - aus Werten dieser Korrelation, insbesondere von über einer Detektionsschwelle liegenden Betragsspitzen, sowie der jeweiligen Rasterverschiebung die jeweilige Zeitverschiebung und damit Objektentfernung sowie aus der jeweiligen Frequenz abzüglich ihres durch die Zeitverschiebung bewirkten Beitrages die radiale Relativgeschwindigkeit des jeweiligen Objekts bestimmt werden, wobei gegebenenfalls Mehrdeutigkeiten in der Frequenz mit Hilfe der Phasenbeziehung zwischen Werten der diskrete Fouriertransformierten und der Korrelation gelöst werden.Lidar system according to one of the above Claims 34 - 38 , in which - the phase modulation sequence contains two periodically nested sequences, this nesting having the period N 1 with respect to the sampling time of the reception sequence, - to determine the frequency shift of objects, N 1 discrete Fourier transformations are calculated, preferably with the aid of fast Fourier transformations, over values of the reception sequence from the periodic grid of the first sequence, possibly interrupted by zeros or extended with zeros, as well as from N 1 -1 shifts of this grid, the shift increasing by one grid value in each case, - in each of these N 1 discrete Fourier transforms, the respective frequencies of magnitude peaks that lie above a detection threshold are determined, - the reception sequence in the periodic and correspondingly shifted grid of the second sequence is turned back in frequency for the respective frequencies and the respective grid shifts, - a correlation is determined between the sequence generated in this way and the second modulation sequence, and - from values of this correlation, in particular of magnitude peaks that lie above a detection threshold, as well as the respective The respective time shift and thus object distance can be determined from the grid shift and the radial relative velocity of the respective object can be determined from the respective frequency minus its contribution caused by the time shift, whereby any ambiguities in the frequency are resolved with the help of the phase relationship between values of the discrete Fourier transform and the correlation. Lidarsystem nach Anspruch 39, bei welchem zur Bestimmung der Betragsspitzen der diskreten Fouriertransformierten eine erste Detektionsschwelle benutzt wird, an den Betragsspitzen jeweils der komplexe Wert der diskreten Fouriertransformierten und der jeweilige komplexe Wert der zugehörigen Korrelation an deren Betragsspitzen gegebenenfalls mehrfach unter Kompensation der möglichen Phasenverschiebungen aufaddiert werden und diese Summen auf eine zweite Detektionsschwelle geprüft werden, wobei die erste Detektionsschwelle weniger hoch über dem Rauschen liegt.Lidar system according to Claim 39 , in which a first detection threshold is used to determine the magnitude peaks of the discrete Fourier transform, at the magnitude peaks the complex value of the discrete Fourier transform and the respective complex value of the associated correlation at their magnitude peaks are added together several times if necessary while compensating for possible phase shifts, and these sums are checked against a second detection threshold, wherein the first detection threshold is less high above the noise. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei welchem die Lage der Straßenoberfläche insbesondere in größeren Entfernungen dadurch bestimmt wird, dass für eine bessere Unterscheidung vom Systemrauschen bei jeweils gleichem vertikalem Winkel über mehrere Pixel zu unterschiedlichen, insbesondere benachbarten horizontalen Winkeln und/oder innerhalb eines Pixels über unterschiedliche, insbesondere benachbarte Entfernungen die Leistung einer Korrelation oder das komplexwertige Produkt zwischen einer ersten Korrelation und dem konjugiert Komplexen einer zweiten Korrelation aufsummiert wird, wobei für den Fall des Produkts aus zwei Korrelationen deren Empfangssignale zumindest teilweise von gleichen Reflexionspunkten auf der Straße stammen, insbesondere durch alternierende Zuordnung der Werte der Empfangsfolge.Lidar system according to one of the above claims, in which the position of the road surface is determined, in particular at greater distances, by summing up the power of a correlation or the complex-valued product between a first correlation and the conjugate complex of a second correlation for better differentiation from system noise at the same vertical angle across several pixels at different, in particular adjacent, horizontal angles and/or within a pixel over different, in particular adjacent distances, wherein in the case of the product of two correlations, their received signals originate at least partially from the same reflection points on the road, in particular by alternating assignment of the values of the received sequence. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei welchem eine vorzeichenrichtige Bestimmung der Empfangsfrequenz und damit die eindeutige Bestimmung der Relativgeschwindigkeit von Objekten bei Verwendung eines reellwertigen Mischers dadurch realisiert wird, dass es unter den für die Phasenmodulation in unregelmäßiger Folge benutzten diskreten Phasenwerten wenigstens zwei gibt, die weder gleichphasig noch gegenphasig sind, die Korrelation zwischen frequenzverschobener Empfangsfolge und komplexwertiger Modulationsfolge oder ihrem konjugiert Komplexen für unterschiedliche Empfangsfrequenzen berechnet wird und zur Identifikation des Vorzeichens der Empfangsfrequenz ausgenutzt wird, dass diese Korrelation bei positiven und negativen Empfangsfrequenzen unterschiedlichen Pegel aufweist.Lidar system according to one of the above claims, in which a sign-correct determination of the reception frequency and thus the unambiguous determination of the relative speed of objects when using a real-valued mixer is realized in that among the discrete phase values used for the phase modulation in irregular sequence there are at least two that are neither in phase nor out of phase, the correlation between the frequency-shifted reception sequence and the complex-valued modulation sequence or its conjugate complex is calculated for different reception frequencies and it is used to identify the sign of the reception frequency that this correlation has different levels at positive and negative reception frequencies. Lidarsystem nach Anspruch 42, bei welchem ein Satz von mindestens drei Phasenwerten benutzt wird, welche über eine Umdrehung nominal gleichverteilt sind, aber von diesen nominalen Positionen auch deutlich abweichen dürfen.Lidar system according to Claim 42 , which uses a set of at least three phase values that are nominally evenly distributed over one revolution, but may deviate significantly from these nominal positions. Lidarsystem nach Anspruch 42 oder 43, bei welchem die Phasenwerte durch Schalten zwischen Leitungen leicht unterschiedlicher Länge oder durch Kombination von Schalten zwischen Leitungen leicht unterschiedlicher Länge und einem schaltbaren Invertierer realisiert werden.Lidar system according to Claim 42 or 43 , in which the phase values are realized by switching between lines of slightly different lengths or by a combination of switching between lines of slightly different lengths and a switchable inverter. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei welchem eine Überwachung der Vorrichtungen zur Strahlrichtungsänderung, insbesondere zur Gewährung der Augensicherheit, dadurch realisiert ist, dass in jeweiliger Raumrichtung Empfangssignale hinsichtlich Objektreflektionen oder hinsichtlich der Anteile von internen Reflektionen und Verkopplungen sowie Reflektionen einer Abdeckung auf Änderungen geprüft werden.Lidar system according to one of the above claims, in which monitoring of the devices for changing the beam direction, in particular for ensuring eye safety, is realized in that received signals are checked for changes in the respective spatial direction with regard to object reflections or with regard to the proportions of internal reflections and couplings as well as reflections of a cover. Lidarsystem nach einem der obigen Ansprüche, welches aus den nachfolgenden drei Hauptkomponenten, deren elektronische Anteile sich vorzugsweise auf derselben oder höchstens zwei Platinen befinden, besteht: - photonischer Chip, insbesondere enthaltend eine in Frequenz verstimmbare Laserquelle, eine Phasenmodulationseinheit bestehend aus einem schaltbaren Invertierer, parallele Sende-Empfangspfade und Wellenleiter; - Digitalchip insbesondere enthaltend Analog-Digital-Wandler, eine festverdrahte Rechenlogik zur Bestimmung einer zweidimensionalen Korrelation mit nachgelagerter Auswertung, einen oder mehrere Mikrocontroller und/oder DSPs sowie Mittel zur Generierung von Steuersignalen; - Scanner für eine Raumrichtung realisiert durch Material mit elektrisch steuerbaren optischen Eigenschaften, insbesondere ein Flüssigkristallelement oder ein Flüssigkristall-Array, oder durch Schaltmatrix für jeden der parallelen Sende-Empfangspfade oder durch mechanischen Ansatz.Lidar system according to one of the above claims, which consists of the following three main components, the electronic parts of which are preferably located on the same or at most two circuit boards: - photonic chip, in particular containing a frequency-tunable laser source, a phase modulation unit consisting of a switchable inverter, parallel transmission-reception paths and waveguides; - digital chip, in particular containing analog-digital converters, hard-wired computing logic for determining a two-dimensional correlation with downstream evaluation, one or more microcontrollers and/or DSPs and means for generating control signals; - scanner for one spatial direction realized by material with electrically controllable optical properties, in particular a liquid crystal element or a liquid crystal array, or by a switching matrix for each of the parallel transmission-reception paths or by a mechanical approach.
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