DE102023201147A1 - Novel coherent lidar system for environmental detection - Google Patents
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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. 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.
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
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.In3 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.In5 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 zeigt8a eine Übersicht und in8b-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 in8b-8d the three blocks are shown in detail. -
In
9 ist die aufwandsoptimierte Realisierung eines komplexwertigen Multiplizierers für einen beispielhaften Drehfaktor dargestellt.In9 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 zeigt10a eine Übersicht und in10b-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 in10b-10d the three blocks are shown in detail. -
In
11 ist eine Realisierung der Drehfaktoren zur Frequenzverschiebung dargestellt.In11 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.In16 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 nach19 mit einem zusätzlichen prismenförmigen Element aus Material mit elektrisch steuerbarer Dielektrizitätskonstante zum Scannen in zweiter Raumrichtung.20 shows the arrangement according to19 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.In23 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 forelevation 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.In32 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.In36 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.In39 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
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
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:
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:
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:
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
Ohne Dopplerverschiebung (also bei zuerst angenommener Relativgeschwindigkeit Null) und wie in
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:
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:
Für die Bestimmung der Objektentfernungen ri aus den Positionen (m0,i, k0,i) der Betragsspitzen der Korrelation gilt somit weiterhin Bez. (7a):
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
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
Der Hauptaufwand zur Realisierung einer solchen Rechenlogik sind die Multiplizierer. In ihnen wird das Produkt zwischen komplexwertigen Signalen und den Drehfaktoren
In
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
Gemäß
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:
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:
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
Die Logik der Digitalschaltung nach
Nun soll noch eine gegenüber
Eine zyklische Korrelation im Zeitbereich entspricht einer Multiplikation der diskreten Fouriertransformierten im Frequenzbereich:
Diesen Zusammenhang kann in eine Struktur analog zu der in
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
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
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:
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
Das Produkt zwischen Empfangsfolge e(n) und verschobener Modulationsfolge b(n-m) ist vor FFT mit den Drehfaktoren
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
Bei Verwendung dieser Frequenz k für die FFT ergibt sich für die zweidimensionale Korrelation Em,k analog zur Herleitung ihrer Darstellung nach Bez. (24):
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
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:
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
Da die Struktur nach
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
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
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
Die Realisierung der Multiplikation mit den Drehfaktoren dn,m nach
Kompensieren eines nichtlinearen FrequenzverlaufsCompensating a non-linear frequency response
Bisher wurde für die Sendefrequenz fTX(t) ein ideal linearer Verlauf angenommen:
Real wird die Modulation aber nicht perfekt sein; häufig weist sie - wie in
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:
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:
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
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
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 = m0·Tm:
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
Der Block 11.1 in
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
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
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
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:
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):
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:
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:
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:
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:
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:
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).
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
Zuerst soll nun angenommen werden, dass sich der Strahlwinkel γ1 zeitlich linear über den Bereich -20°,...,+20° ändern soll, also
Für eine Scandauer von 4.5ms (500 teilweise überlappende Pixel im Abstand 9ms) und eine vorgegebene Frequenzänderung von 1THz (→ F1 = 2.13Ts) sind in
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
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
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.
- - 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
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
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.
Als alternativer Ansatz für Fokussierung und Scannen kann ein Flüssigkristall-Array verwendet werden. In
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
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
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
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
- - 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.
- - 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
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
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
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
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
Die Scanmuster nach
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.
- - 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
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 vm(αm) 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 m (α m ) 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
Wenn einer der beiden Winkel Null ist, ergibt sich mit Hilfe von cos2(γ) + sin2(γ) = 1:
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
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
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
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
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
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
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
Die zweidimensionale Korrelation Em,k in Form der Bez. (8) wird als FFT über die Produktfolge
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 (
Das Verschwinden der Betragsspitze bei falscher Frequenz -k0 kann man durch jeden Satz an J über eine Umdrehung, also 360° gleichverteilte Phasenwerte
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;
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.
- - 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
Als Beispiel werden zuerst eine Folge und ein Auswertungsansatz betrachtet, welche im Artikel
Die Längen N1 und N2 können gleich sein, also
Für die von einem Objekt i generierte Empfangsteilfolge e1,i(n) zur ersten, konstanten Modulationsteilfolge b1(n) gilt gemäß Bez. (3a):
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
Um die jeweilige Modulation durch die Dopplerfrequenz zu eliminieren, wird die Empfangsfolge e(n) jeweils um die Frequenz k0,j zurückgedreht:
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:
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
Mit der Modulationsfolge nach
Nachteilig im Vergleich zu einer Modulationsfolge nach
- - 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.
- - 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
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):
Die beiden FFTs
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
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
Um die jeweilige Modulation durch die Dopplerfrequenz zu eliminieren, wird die Empfangsfolge e(n) um die Frequenz k0,j zurückgedreht:
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:
In diesen eindimensionalen Korrelationen
Aus dem Index j der Korrelation
Mit den oben dargestellten Zusammenhängen und Vorgehensweisen können aus den über einer Detektionsschwelle liegenden Betragsspitzen der Korrelationen
Alternativ zum Ansatz, dass Detektionen aus über einer Detektionsschwelle liegenden Betragsspitzen der Korrelationen
Der Ansatz von Summe und Differenz von FFT und Korrelation vermeidet auch den Nachteil der Modulationsfolge nach
Ein weiterer Vorteil der neuen Modulationsfolge nach
Der benötigte Rechenaufwand für den neuen Ansatz mit der Modulationsfolge nach
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
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
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
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
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
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.
- - 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]
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Non-Patent Citations (3)
| Title |
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| „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 |
| BANZHAF, Sebastian ; WALDSCHMIDT, Christian: Phase-code-based modulation for coherent lidar. In: IEEE Transactions on Vehicular Technology, Bd.70, 2021, H. 10, S. 9886-9897. - ISSN 0018-9545 (p) ; 1939-9359 (e). DOI: 10.1109/TVT.2021.3104109. URL: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9511807&tag=1 [abgerufen am 2023-03-09]. * |
| S. Banzhaf and C. Waldschmidt: Phase-Coded FMCW Lidar. In: 2021 29th European Signal Processing Conference (EUSIPCO), Dublin, Ireland,, 2021, pp. 1775-1779. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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