Title:
Steuer- und Auswerteeinheit, LiDAR-System, Arbeitsvorrichtung und Verfahren zum Steuern
Kind Code:
A1


Abstract:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuer- und Auswerteeinheit (40) für ein LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder ein Fahrzeug, mit einer Sendeeinheit (70) zum Steuern des Erzeugens und Aussendens von Lichtpulsen als Primärlicht (57) in das Sichtfeld (50) und mit einer Empfangseinheit (80) zum Steuern des Empfangens und des Auswertens aus dem Sichtfeld (50) empfangenen Sekundärlichts (58), bei welcher die Empfangseinheit (80) als analoge Einheit aufgebaut ist und Mittel zur im Wesentlichen analogen Verarbeitung von – zu empfangenem Sekundärlicht (58) korrespondierenden – empfangenen Signalen aufweist.




Inventors:
Fersch, Thomas (72764, Reutlingen, DE)
Application Number:
DE102016213979A
Publication Date:
02/01/2018
Filing Date:
07/29/2016
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:



Claims:
1. Steuer- und Auswerteeinheit (40) für ein LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder ein Fahrzeug,
– mit einer Sendeeinheit (70) zum Steuern des Erzeugens und Aussendens von Lichtpulsen als Primärlicht (57) in das Sichtfeld (50) und mit einer Empfangseinheit (80) zum Steuern des Empfangens und des Auswertens aus dem Sichtfeld (50) empfangenen Sekundärlichts (58),
– bei welcher die Empfangseinheit (80) als analoge Einheit aufgebaut ist und Mittel zur im Wesentlichen analogen Verarbeitung von – zu empfangenem Sekundärlicht (58) korrespondierenden – empfangenen Signalen aufweist.

2. Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach Anspruch 1, mit einer – insbesondere als Teil der Empfangseinheit (70) – analogen Korrelationseinheit (90), welche Mittel aufweist zur im Wesentlichen analogen Verarbeitung der – zu empfangenem Sekundärlicht (58) korrespondierenden – empfangenen Signale auf der Grundlage einer signalangepassten Korrelationskennlinie nach Art eines Korrelationsfilters oder signalangepassten Filters.

3. Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach Anspruch 1,
– bei welcher die Korrelationseinheit (90) zum Aufbau der signalangepassten Korrelationskennlinie eine Signalverzögerungskette (91) mit einer Mehrzahl analoger Verzögerungsglieder (92) aufweist,
– insbesondere nach Art einer Kaskade in Reihenschaltung und/oder mit paralleler Signalausleitung (94) nach jedem Verzögerungsglied (92) in ein gemeinsames – insbesondere analoges – Summationsglied (95).

4. Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Sendeeinheit (70) als analoge Einheit ausgebildet ist und Mittel aufweist zur im Wesentlichen analogen Verarbeitung insbesondere von – dem zu erzeugenden und auszusendenden Primärlicht (57) – zu Grunde liegenden Signalen.

5. Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche – insbesondere über die Sendeeinheit (70) – ausgebildet ist und analog arbeitende Mittel aufweist zum Erzeugen und Aussenden von Signalen zu Primärlicht (57) mit Lichteinzelpulsen mit bestimmter modulierter Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf.

6. Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach Anspruch 5,
– welche – insbesondere in der Sendeeinheit (70) – zur Erzeugung der bestimmten modulierten Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf eine Signalverzögerungskette (91) mit einer Mehrzahl analoger Verzögerungsglieder (92) aufweist,
– insbesondere nach Art einer Kaskade in Reihenschaltung und/oder mit paralleler Signalausleitung (94) nach jedem Verzögerungsglied (92) in ein gemeinsames – insbesondere analoges – Summationsglied (95).

7. Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, sofern rückbezogen auf Anspruch 2 und 5, welche so eingerichtet ist und Mittel aufweist, dass die signalangepasste Korrelationskennlinie für das Empfangen und die bestimmte modulierte Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf für das Aussenden einander entsprechen.

8. Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, sofern rückbezogen auf Anspruch 3 und 6, bei welcher die Verzögerungsglieder (92) und/oder das Summationsglied (95) der Korrelationseinheit (90) identisch sind mit den jeweiligen Verzögerungsgliedern (92) bzw. mit dem Summationsglied (95) der Sendeeinheit (70).

9. Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Sendeeinheit (70) und die Empfangseinheit (80) integriert als eine analoge Einheit ausgebildet sind, insbesondere zusammen mit der Korrelationseinheit (90).

10. LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder Fahrzeug, mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche.

11. Arbeitsvorrichtung und insbesondere Fahrzeug oder Roboter, mit einem LiDAR-System (1) nach Anspruch 10 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50).

Description:
Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuer- und Auswerteeinheit, ein LiDAR-System, eine Arbeitsvorrichtung und ein Verfahren zum Steuern. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Steuer- und Auswerteeinheit für ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen, eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug oder dergleichen sowie ein Verfahren zum Steuern eines LiDAR-Systems zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes.

Beim Einsatz von Arbeitsvorrichtungen, von Fahrzeugen und anderen Maschinen und Anlagen werden vermehrt Betriebsassistenzsysteme oder Sensoranordnungen zur Erfassung der Betriebsumgebung eingesetzt. Neben radarbasierten Systemen oder Systemen auf der Grundlage von Ultraschall, kommen vermehrt auch lichtbasierte Erfassungssysteme zum Einsatz, z.B. so genannte LiDAR-Systeme (englisch: LiDAR:light detection and ranging). LiDAR-Systeme werden auch als LaDAR-Systeme bezeichnet (LaDAR:Laser Radar).

Offenbarung der Erfindung

Nachteilig bei herkömmlichen LiDAR-Systemen ist der im Zusammenhang mit der Erzeugung und Aussendung von Lichtpulsen als Primärlicht und beim Empfang und der Auswertung einlaufenden Sekundärlichts notwendige prozesstechnische Aufwand, der auch in der Komplexität und den verbrauchten Ressourcen der apparativen Komponenten und in den zeitkritischen Aspekten entsprechender Steuerverfahren seinen Niederschlag findet. Dies betrifft auf der apparativen Seite z.B. das Bauvolumen und die Ressourcenansprüche hinsichtlich Energie- und Verarbeitungszeit. Eine Vereinfachung – insbesondere im Bereich der Steuer- und Auswerteeinheiten für LiDAR-Systeme – ist daher wünschenswert.

Die erfindungsgemäße Steuer- und Auswerteeinheit für ein LiDAR-System mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass bei hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit ohne Einbuße an Zuverlässigkeit das Bauvolumen und der aufzubringende Energieeintrag reduziert werden können. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 dadurch erreicht, dass eine Steuer- und Auswerteeinheit für ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen, geschaffen wird (i) mit einer Sendeeinheit zum Steuern des Erzeugens und Aussendens von Lichtpulsen als Primärlicht in das Sichtfeld und (ii) mit einer Empfangseinheit zum Steuern des Empfangens und des Auswertens aus dem Sichtfeld empfangenen Sekundärlichts, wobei die Empfangseinheit als analoge Einheit aufgebaut ist und Mittel zur im Wesentlichen analogen Verarbeitung von – zu empfangenem Sekundärlicht korrespondierenden – empfangenen Signalen aufweist. Dabei ist ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung das Ausgestalten zumindest der Empfangseinheit als analoge Komponente mit Mitteln, die eine im Wesentlichen analoge Verarbeitung der zu Grunde liegenden Signale ermöglichen, nämlich derjenigen Signale, welche zu empfangenem Sekundärlicht korrespondieren. Die analoge Ausgestaltung zumindest der Empfangseinheit führt dazu, dass die Verarbeitung in der Empfangseinheit ohne Systemtakt und quasi in Echtzeit möglich ist. Komponenten und Ressourcen im Hinblick auf das Digitalisieren und Speichern und der damit im Zusammenhang stehende hohe Stromverbrauch und das Aufkommen an Hardware und Chipfläche werden vermieden.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Eine Verbesserung der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit hinsichtlich der Zuverlässigkeit ihrer Funktion ergibt sich dann, wenn diese ausgebildet ist mit einer analogen Korrelationseinheit – insbesondere als Teil des Empfangssystems – welche Mittel aufweist zur im Wesentlichen analogen Verarbeitung der – zu empfangenem Sekundärlicht korrespondierenden – empfangenen Signale auf der Grundlage einer signalangepassten Korrelationskennlinie nach Art eines Korrelationsfilters oder signalangepassten Filters. Durch die Verwendung eines signalangepassten Korrelationsfilters kann eine Diskriminierung eines gewünschten Empfangssignals mit einer entsprechenden Signatur von Störsignalen unterschieden werden. Durch die analoge Ausgestaltung der Korrelationseinheit ergibt sich eine besonders kompakte und gleichwohl zuverlässig und schnell arbeitende Einheit.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit ist die Korrelationseinheit zum Aufbau der signalangepassten Korrelationskennlinie mit einer Signalverzögerungskette mit einer Mehrzahl analoger Verzögerungsglieder ausgebildet.

Dies kann nach Art einer Kaskade in Reihenschaltung und/oder mit paralleler Signalausleitung nach jedem Verzögerungsglied in ein gemeinsames – insbesondere analoges – Summationsglied erfolgen.

Das Konzept des zuverlässigen Funktionsaufbaus bei Reduktion von Bauraum und Ressourcenaufkommen über analoge Komponenten lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit ausweiten.

So ist es bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform vorgesehen, dass die Sendeeinheit als analoge Einheit ausgebildet ist und Mittel aufweist zur im Wesentlichen analogen Verarbeitung, insbesondere von – dem zu erzeugenden und auszusendenden Primärlicht – zu Grunde liegenden Signalen.

Dabei ergibt sich eine besonders zuverlässige Funktionsweise, wenn die auszusendenden Lichteinzelpulse für ein jeweiliges zu Grunde liegendes LiDAR-System individualisiert erzeugt und ausgesandt werden können. So ist die erfindungsgemäße Steuer- und Auswerteeinheit gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung – insbesondere über die Sendeeinheit – ausgebildet und weist analog arbeitende Mittel auf zum Erzeugen und Aussenden von Signalen zu Primärlicht mit Lichteinzelpulsen von bestimmter modulierter Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit weist diese – insbesondere in der Sendeeinheit – zur Erzeugung der bestimmten modulierten Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf eine Signalverzögerungskette mit einer Mehrzahl analoger Verzögerungsglieder auf.

Dies kann z.B. nach Art einer Kaskade in Reihenschaltung erfolgen und/oder mit paralleler Signalausleitung nach jedem Verzögerungsglied in ein gemeinsames – insbesondere analoges – Summationsglied.

Bei einer anderen Weiterbildung ist die Steuer- und Auswerteeinheit so eingerichtet und weist Mittel auf, dass die signalangepasste Korrelationskennlinie für das Empfangen und die bestimmte modulierte Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf für das Aussenden einander entsprechen. Durch die Abstimmung der Korrelationskennlinie mit der Signatur können gerätefremde Signale von geräteeigenen Signalen besonders zuverlässig unterschieden werden.

Ein weiterer Aspekt ist die Vereinfachung des Gesamtkonzepts einer Steuer- und Auswerteeinheit für ein LiDAR-System durch das mehrfache Nutzen derselben Komponenten in verschiedenen Einheiten.

So ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit vorgesehen, dass die Verzögerungsglieder und/oder das Summationsglied der Korrelationseinheit identisch sind mit den jeweiligen Verzögerungsgliedern bzw. mit dem Summationsglied der Sendeeinheit. Dies bedeutet, dass Kernelemente, die zu einer schnellen, zuverlässigen und wenig Bauraum und Ressourcen beanspruchenden Verarbeitung eingesetzt werden, mehrfach Anwendung finden in verschiedenen funktionalen Einheiten.

Die erfindungsgemäße Steuer- und Auswerteeinheit kann weiter kompaktifiziert und in ihrem Aufbau vereinfacht werden, wenn gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltungsform das Sendesystem und das Empfangssystem integriert als eine analoge Einheit ausgebildet sind, insbesondere zusammen mit der Korrelationseinheit.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes. Dabei weist das LiDAR-System gemäß der vorliegenden Erfindung eine erfindungsgemäße Steuer- und Auswerteeinheit auf und kann insbesondere bei einer Arbeitsvorrichtung, einem Fahrzeug oder dergleichen verwendet werden.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug oder dergleichen geschaffen, welche mit einem erfindungsgemäßen LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes ausgerüstet sind.

Sämtliche Aspekte der vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit einer apparativen Konfiguration im Sinne einer Steuer- und Auswerteeinheit für ein LiDAR-System angesprochen wurden, sind auch als Module oder Einheiten eines Steuerverfahrens darstellbar.

So wird gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung auch ein Verfahren zum Steuern eines LiDAR-Systems zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes als Gegenstand der vorliegenden Erfindung geschaffen, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen und/oder insbesondere unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit.

Das Verfahren umfasst eine Sendeeinheit zum Steuern des Erzeugens und Aussendens von Lichtpulsen als Primärlicht in das Sichtfeld und eine Empfangseinheit zum Steuern des Empfangens und des Auswertens aus dem Sichtfeld empfangenen Sekundärlichts.

Dabei ist die Empfangseinheit als analoge Einheit aufgebaut ist und weist Mittel zur im Wesentlichen analogen Verarbeitung von – zu empfangenem Sekundärlicht korrespondierenden – empfangenen Signalen auf.

Kurzbeschreibung der Figuren

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.

1 ist ein Blockdiagramm zur schematischen Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit.

2 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit.

3 zeigt nach Art eines Blockdiagramms eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit.

4 zeigt nach Art eines Blockdiagramms in schematischer Weise Aspekte der sendeseitigen Funktionalität einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit.

5 zeigt nach Art eines Blockdiagramms in schematischer Weise Aspekte der empfängerseitigen Funktionalität einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.

Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.

1 zeigt nach Art eines Blockdiagramms in schematischer Weise ein erfindungsgemäßes LiDAR-System 1 unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit 40.

Das in 1 dargestellte LiDAR-System 1 besteht neben der Steuer- und Auswerteeinheit 40 aus der dem Betrieb des LiDAR-Systems 1 zu Grunde liegenden optischen Anordnung 10 mit einer Lichtquelle 65, zum Beispiel in Form eines oder mehrerer Laser, einer Senderoptik 60, einer Empfängeroptik 30 und einer Detektoranordnung 20. Die Steuerung des Betriebs des LiDAR-Systems 1 sowie die Auswertung der durch das LiDAR-System 1 empfangenen Signale erfolgt durch die übergeordnete Steuer- und Auswerteeinheit 40.

Die in 1 dargestellte Konfiguration ist nur ein Beispiel für den Aufbau eines möglichen LiDAR-Systems 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Nicht jede erfindungsgemäße Ausführungsform benötigt sämtliche gezeigten Komponenten. Auch können Komponenten von 1 abweichend optisch kombiniert sein. Bestimmte Komponenten können ergänzt oder ersetzt sein, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.

Im Betrieb wird durch Steuerung und Veranlassung mittels der Steuer- und Auswerteeinheit 40 über eine Steuerleitung 42 die Lichtquelle 65 zur Erzeugung und Ausgabe primären Lichts 57 veranlasst. Das primäre Licht 57 wird mittels einer Strahlformungsoptik 66 entsprechend dem Anwendungsfall – z.B. im Sinne einer bestimmten räumlichen Intensitätsverteilung – moduliert und dann mittels einer Ablenkoptik 62, zum Beispiel in Form abtastender Mikrospiegelanordnungen, in ein Sichtfeld 50 mit einem darin enthaltenen Objekt 52 ausgesandt.

Das aus dem Sichtfeld 50 und vom Objekt 52 reflektierte Licht wird auch als sekundäres oder Sekundärlicht 58 bezeichnet und in der Empfängeroptik 30 mittels eines Objektivs 34 aufgenommen, gegebenenfalls von einer vorgesehenen Sekundäroptik 35 weiterbehandelt und dann an eine Detektoranordnung 20 mit einem oder mit mehreren Detektorelementen 22 übertragen. Die Detektorelemente 22 der Detektoranordnung 20 erzeugen ihrerseits das Sekundärlicht 58 repräsentierende Signale, die mittels einer Steuer- und Messleitung 41 an die Steuer- und Auswerteeinheit 40 übertragen werden.

Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit 40 gemäß 1 besteht aus einem übergeordneten Steuersystem 100, welches mittels eines Busses 101 mit einer Sendeeinheit 70, einer Empfangseinheit 80 und einer Korrelationseinheit 90 verbunden ist. Zwar können das Steuersystem 100 und die Einheiten 70, 80 und 90 tatsächlich als separate Komponenten innerhalb der Steuer- und Auswerteeinheit 40 ausgebildet sein. Bevorzugt wird jedoch ein LiDAR-System 1, bei welchem ein oder mehrere der Komponenten der Steuer- und Auswerteeinheit 40 miteinander kombiniert und integriert ausgebildet sind, so dass die Darstellung gemäß 1 nur der Darstellung der vorhandenen Komponenten dem Grundsatz nach dient, die konkrete Architektur dadurch jedoch nicht unbedingt widergespiegelt wird und von der Darstellung aus 1 abweichen kann.

So zeigt zum Beispiel 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit 40, bei welcher die Komponenten der Korrelationseinheit 90 in integrierter Form als Verzögerungskette 91 mit Verzögerungsgliedern 92 und mit einem Summationsglied 95 ausgebildet sind und von der Sendeeinheit 70 und der Empfangseinheit 80 gleichermaßen verwendet werden, um nämlich für den Vorgang des Aussendens die für das Primärlicht 57 notwendige modulierte Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf zu generieren, andererseits jedoch auch um die entsprechende Filterfunktion beim Empfangsvorgang mit der signalangepassten Korrelationskennlinie bereitzustellen.

3 zeigt nach Art eines Blockdiagramms eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 unter Verwendung einer Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit 40, wobei zusätzlich die Senderoptik 60 mit der Lichtquelle 65, das Sichtfeld 50 sowie die Empfängeroptik 30 mit der Detektoranordnung 20 des LiDAR-Systems 1 schematisch dargestellt sind.

Die gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit 40 umfasst neben dem übergeordneten Steuersystem 100 eine kombiniert integrierte analoge Sendeempfangseinheit 103, welche in kombinierter und integrierter Form die Sendeeinheit 70, die Empfangseinheit 80 und die Korrelationseinheit 90 als analoge oder zumindest analog arbeitende Komponenten aufweist.

Über ein Steuersignal 102, welches zum Beispiel über den Bus 101 vom Steuersystem 100 ausgegeben wird, wird der Sende-/Empfangsvorgang in der kombinierten integrierten analogen Sendeempfangseinheit 103 mit der Sendeeinheit 70, der Empfangseinheit 80 und der Korrelationseinheit 90 gestartet. Über die Sendeeinheit 70 wird dabei auf der Grundlage der Verzögerungskette 91 mit Verzögerungsgliedern 92 und der parallelen Aus- oder Ableitungen 94 die für die spezifische Anwendung notwendige bestimmte modulierte Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf bereitgestellt und in Form einer Steuerpulsfolge über die Steuerleitung 42 an die Lichtquelle 65, die hier als Bestandteil der Senderoptik 60 dargestellt ist, ausgegeben.

Die Lichtquelle 65 erzeugt gemäß der Steuerpulsfolge aus der kombinierten analogen Sendeempfangseinheit 103 Primärlicht 57 mit der entsprechenden bestimmten modulierten Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf. Das Primärlicht 57 wird über die in 1 bereits dargestellte Ablenkoptik 62 der Senderoptik 60 auf das beabsichtigte Sichtfeld 50 ausgesandt. Reflektiertes Licht aus dem Sichtfeld 50 wird als Sekundärlicht 58 von der Empfängeroptik 30 mit Objektiv 34 und der in der Ausführungsform gemäß 3 darin vorgesehenen Detektoranordnung 20 aufgenommen und als elektrische Empfangspulsfolge über die Mess- und Steuerleitung 41 an die kombiniert integrierte analoge Sendeempfangseinheit 103 und dort insbesondere an die Empfangseinheit 80 im Zusammenwirken mit der Korrelationseinheit 90 ausgegeben, um dort über das Zusammenwirken von Verzögerungskette 91 mit den Verzögerungsgliedern 92 und parallelen Ausleitungen 94 mit Summationsglied 95 nach Art eines signalangepassten Korrelationsfilters zu wirken.

4 zeigt nach Art eines schematischen Blockdiagramms Details der Komponenten aus 3 mit Fokus auf den Sendeprozess mit der Erzeugung der zu Grunde liegenden Steuerpulsfolge.

Ausgehend vom übergeordneten Steuersystem 100 wird über den Bus 101 das Steuersignal 102 an die Sendeeinheit 70 ausgegeben und dort im Zusammenhang mit der analogen Verzögerungskette 91 mit den analogen Verzögerungsgliedern 92 in der Verzögerungsleitung 93 zur Erzeugung der entsprechenden Steuerpulsfolge für die Senderoptik 60 mit der darin enthaltenen Lichtquelle 65 verwendet.

Wesentlich bei der Ausführungsform gemäß 4 ist der analoge Aufbau der Verzögerungskette 91 mit den einzelnen analogen Verzögerungsgliedern 92, bei welchen parallele Ausleitungen 94 von gleicher Länge für eine gleiche Signallaufzeit zur Lichtquelle 65 verwendet werden. Das erzeugte und ausgesandte Primärlicht 57 besitzt den im Diagramm 57-1 in 4 dargestellten zeitlichen Amplitudenverlauf, wobei jedem dort dargestellten Puls im Signal die Wirkung eines der analogen Verzögerungsglieder 92 der Verzögerungskette 91 entspricht.

5 zeigt in entsprechender schematischer Darstellung die Kernaspekte der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit 40 im erfindungsgemäßen LiDAR-System 1 gemäß 3 mit Fokus auf die Aspekte des Empfangsvorgangs.

Die Empfangspulsfolge des Sekundärlichts 58 besitzt die im Diagramm 58-1 dargestellte Struktur im Sinne eines zeitlichen Amplitudenverlaufs. Durch Empfang des Sekundärlichts 58 in der Empfängeroptik 30 mit der Detektoranordnung 20 wird eine entsprechende elektrische Empfangspulsfolge generiert und über die Mess- und Steuerleitung 41 an die Empfangseinheit 80 der kombinierten integrierten Sendeempfangseinheit 103 der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit 40 übertragen. Dort erfolgt über die analoge oder analog arbeitende Korrelationseinheit 90 bestehend aus einer Verzögerungskette 91 mit Verzögerungsgliedern 92 in einer Verzögerungsleitung 93 und mit parallelen Ausleitungen 94 mit Ankopplung an ein Summationsglied 95 die entsprechende Analyse der elektrischen Empfangspulsfolge nach Art eines signalangepassten Korrelationsfilters.

Dadurch, dass die analoge Verzögerungskette 91 mit den analogen Verzögerungsgliedern 92 von denselben Komponenten gebildet wird, wie sie im Zusammenhang mit dem Sendevorgang verwendet werden, ist die Filterfunktion der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit 40 spezifisch für das erzeugte Signal und die zu Grunde liegende bestimmte modulierte Signatur in Amplitude und Zeit. Das bedeutet, dass anders geartete Signale mit nicht korrekten Pulsfolgen oder Einzelpulssignale im Summationsglied 95 zu niedrigen Summationssignalen 104 führen. Das vom Summationsglied 95 ausgegebene Summationssignal 104 kann dann der weiteren Analyse, zum Beispiel einer Distanzbestimmung, an das Steuersystem 100 übergeben werden.

Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Die Erfindung betrifft gepulst arbeitende LiDAR-Systeme und schlägt eine Korrelation des Empfangssignals mit dem ursprünglich ausgesendeten Sendesignal vor, um z.B. eine Interferenzverringerung, eine Verbesserung der Detektionswahrscheinlichkeit und/oder eine Verringerung der Spitzensendeleistung zu bewirken, wobei erfindungsgemäß insbesondere auf eine analoge Verarbeitung gesetzt wird.

Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft verwendbar im Zusammenhang mit aus mehreren Einzelpulsen erzeugten und/oder zusammengesetzten Sendepulsen oder Sendesignalen.

Die Berechnung der Korrelation erfolgt üblicherweise digital und ist ein relativ aufwendiger Prozess. Das Empfangssignal muss relativ dazu beim herkömmlichen Vorgehen genau und schnell digitalisiert werden. Zur Korrelation kann z.B. eine Kopie des Sendesignals verwendet werden. Dabei notwendige Verzögerungselemente für das Senden und das Empfangen und Korrelieren sind herkömmlicherweise und im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung, nicht identisch. Auch findet bereits vor der Korrelation notwendigerweise eine A/D-Wandlung statt, diese ist teuer und erfordert eine hohe Leistungsaufnahme.

Digitale Korrelationsschaltungen benötigen einen hohen Systemtakt, viel Speicher und viele Rechenoperationen zur Durchführung der Korrelationsrechenoperationen. Damit verbunden sind ein hoher Stromverbrauch, teure Hardware und viel Chipfläche.

Die Sendepulsfolge wird außerdem bisher durch ein anderes und separates System erzeugt, das auch separat bereitgestellt werden muss und gegebenenfalls durch Toleranzen oder Temperaturschwankungen eine imperfekte Pulsfolge erzeugt.

Ein Kern der Erfindung ist die Schaffung einer analogen und kombiniert integrierten Sendeempfangseinheit 103, die auch als Sendeempfangssystem 103 bezeichnet werden kann und ein gepulstes LiDAR-Sendesignal erzeugt und auch wieder empfängt und korreliert. Die analoge Korrelation ist ein wesentlicher Aspekt der Erfindung.

Das erfindungsgemäße Sendeempfangssystem 103 kann auch zum analogen Ausformen des Sendesignales verwendet werden. Das Sendeempfangssystem 103 kann ebenso für nur eine der beiden Funktionen Senden und Empfangen verwendet werden. Die Kombination der beiden Funktionen ist für LiDAR-Systeme 1 besonders vorteilhaft.

Dabei erzeugt nur das ursprünglich ausgesendete Sendesignal beim Empfang nach Art einer Codefolge ein maximales Korrelationssignal. Andere Folgen oder Einzelpulse werden quasi unterdrückt.

Ein Vorteil ist die Übereinstimmung von Sende- und Empfangspuls. Es wird nur ein analoges System 103 für das Senden und das Empfangen benötigt. Fertigungstoleranzen haben damit keinen Einfluss auf die Korrelationseigenschaften.

Analoge Schaltungen brauchen keinen Takt und arbeiten kontinuierlich, dies spart Ressourcen.

3 ordnet die Erfindung und das Steuersystem 100 in den Kontext eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 ein.

Das Steuersystem 100 initiiert einen Abtastvorgang durch ein elektrisches Steuersignal 102, beispielsweise durch einen Rechteckpuls über den Bus. Das erfindungsgemäße analoge und kombiniert integrierte Sendeempfangssystem 103 erzeugt daraufhin ein elektrisches Steuersignal bestimmter geformter Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf, das von einem Laser als Lichtquelle 65 im Primärlicht 57 als ein optisches Sendesignal gewandelt und in Richtung des Ziels, z.B. in Richtung eines Sichtfeldes 50 mit einem Objekt 52, ausgesandt wird, dessen Entfernung oder Geschwindigkeit oder Reflexionseigenschaften
bestimmt werden sollen.

Das reflektierte und im Sekundärlicht 58 enthaltene optische Signal wird von einem Detektor 22 einer Detektoranordnung 20, z.B. einer PiN-Diode, SPA-Diode (SPAD) oder AP-Diode (APD), in ein elektrisches Signal gewandelt, das dem elektrischen Steuersignal mit der bestimmten geformten Signatur in Amplitude und Zeit ähnelt. Das erfindungsgemäße Sendeempfangssystem 103 generiert also ein Empfangssignal, das in Amplitude und zeitlichem Verlauf – z.B. im Sinne einer Proportionalität – ähnlich ist zur Ähnlichkeit zum elektrischen Steuersignal zur Steuerung der Lichtquelle 65 und zum von der Detektoranordnung 20 gelieferten Signal.

Die mit den Steuerleitungen 41 und 42 im Zusammenhang stehenden Signale besitzen also eine gewisse Ähnlichkeit, die über einen Korrelator 90 bewertet wird, der vorteilhafterweise als analoge oder analog arbeitende Komponente ausgebildet ist.

4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 mit Fokus auf den Betrieb im Sendemodus. Essentieller Bestandteil sind analoge Verzögerungselemente 92 unterschiedlicher Dauer, die aneinandergereiht werden. Deren Nummerierung gibt die Verzögerung in Vielfachen einer Verzögerungszeiteinheit an.

Das Triggersignal als Steuersignal 102 durchläuft die unterschiedlich stark verzögernden Verzögerungselemente 92. An geeigneten Stellen wird das Signal geteilt und durch gleich lange Leitungen als parallele Ausleitungen 94 und z.B. einem Laser als Lichtquelle 65 und als elektrisch-optischem Wandler zugeführt.

Der Laser 65 erzeugt im dargestellten Beispiel einen kurzen Puls, wenn er mit einer steigenden Flanke angesteuert wird. Im dargestellten Fall ist dies eine Pulsfolge mit Einzelpulsen für jede Flanke mit Verzögerungszeitspannen mit einer Signatur 2-3-6-10-15-22 und also mit Verzögerungszeiten mit Vielfachen von 2, 2 + 3, 2 + 3 + 6, 2 + 3 + 6 + 10, 2 + 3 + 6 + 10 + 15 und 2 + 3 + 6 + 10 + 15 + 22 der Verzögerungszeiteinheit. Auf diese Weise wird das dargestellte optische Signal erzeugt. Die voran- und nachgestellten Verzögerungselemente mit Dauer 2 dienen der Entkopplung und können u.U. auch weggelassen werden.

5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt ist der Betrieb im Empfangsmodus.

Das System der Verzögerungsleitung 93 ist identisch wie im vorher erläuterten Sendefall. Das in 4 emittierte Sendesignal wird reflektiert und trifft auf die Detektoranordnung 20 mit Detektorelementen 22. Das proportionale elektrische Signal aus der Detektoranordnung 20 wird dem erfindungsgemäßen kombinierten und integrierten analogen Sendeempfangssystem 103 zugeführt und dort verarbeitet. Es wird am anderen Ende der Verzögerungsleitungskette 91 eingespeist und durchläuft diese. Die Anzapfungen über die parallelen Ausleitungen 94 befinden sich an den gleichen Stellen wie zuvor im Sendefall. Jedoch werden die Signale auf einen analogen Addierer als Summationsglied 95 gegeben. Dieser kann mittels Operationsverstärkerschaltungen realisiert werden.

Eine hohe Signalamplitude ist nur dann an allen Anzapfungspunkten und parallelen Ausleitungen 94 vorhanden, wenn genau die zuvor mit dieser Schaltung gesendete Folge eingespeist wird. Einzelpulse oder inkorrekte Pulsfolgen führen zu einem niedrigen Summationssignal 104 am Ausgang des Summationsgliedes 95.

Das Summationssignal 104 kann weiterverarbeitet werden und weist an einem Zeitpunkt, der von der Distanz des Ziels abhängt, ein Maximum auf.

Die Nebenmaxima des Detektionssignals werden minimal, wenn Verzögerungen für die Verzögerungselemente 92 gewählt werden, die untereinander teilerfremd sind und insbesondere Primzahlen entsprechen.

Die Verzögerungselemente 92 können im einfachsten Fall durch elektrische Leitungen, koaxiale Kabel und/oder Mikrostreifenleitungen realisiert werden. Auch eine Implementierung in einer integrierten Schaltung ist möglich. Die benötigte Leitungslänge kann reduziert werden durch die Verwendung von RC-Ketten oder durch das Nachstellen einer Übertragungsleitung mit diskreten LC-Elementen.