Title:
Fahrerassistenzsystem mit einem Nanodraht zur Erfassung eines Objektes in einem Umfeld eines Fahrzeugs
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die Erfindung betrifft ein Fahrerassistenzsystem (1) mit einem Sender (4) und einem Empfänger (5) zur Erfassung eines Objektes (3) in einem Umfeld eines Fahrzeugs (2), wobei der Sender (4) eine Elektronenquelle (11), einen Elektronenbeschleuniger (12) mit einer Kathode (13) und einer ersten Anode (14), einen Nanodraht (15) und eine zweite Anode (16) mit einem gegenüber der ersten Anode (14) größerem elektrischen Potential hat, ein erster Abschnitt (17) des Nanodrahtes (15) zur Beschleunigung von aus der Kathode (13) austretenden und in den Nanodraht (15) eintretenden Elektronen zwischen der Kathode (13) und der ersten Anode angeordnet ist, der Nanodraht (15) einen zweiten Abschnitt (18) zum schraubenartigen Führen der Elektronen aufweist, der zweite Abschnitt (18) des Nanodrahtes (15) zwischen der ersten Anode (14) und der zweiten Anode (16) angeordnet ist und derart um eine gerade Mittellinie (19) gewunden ist, dass ein Abstand vom Nanodraht (15) zu der Mittellinie (19) konstant ist, wobei die zweite Anode (16) mit dem größeren elektrischen Potential bewirkt, dass sich die Elektronen zur Emission einer monochromatischen elektromagnetischen Strahlung innerhalb des zweiten Abschnittes (18) mit einer annähernd konstanten Geschwindigkeit bewegen können.





Inventors:
Straschill, Rainer (81549, München, DE)
Application Number:
DE102017123984A
Publication Date:
11/30/2017
Filing Date:
10/16/2017
Assignee:
FEV Europe GmbH, 52078 (DE)
International Classes:
H05G2/00; G01S17/00; H05H15/00
Claims:
1. Fahrerassistenzsystem (1) mit einem Sender (4) und einem Empfänger (5) zur Erfassung eines Objektes (3) in einem Umfeld eines Fahrzeugs (2), wobei der Sender (4) eine Elektronenquelle (11), ein erstes elektrisch leitendes Gehäuse (21), einen Elektronenbeschleuniger (12) mit einer Kathode (13) und einer ersten Anode (14), einen Nanodraht (15) und eine zweite Anode (16) mit einem gegenüber der ersten Anode (14) größerem elektrischen Potential hat, ein erster Abschnitt (17) des Nanodrahtes (15) zur Beschleunigung von aus der Kathode (13) austretenden und in den Nanodraht (15) eintretenden Elektronen zwischen der Kathode (13) und der ersten Anode angeordnet ist, der Nanodraht (15) einen zweiten Abschnitt (18) zum schraubenartigen Führen der Elektronen aufweist, der zweite Abschnitt (18) des Nanodrahtes (15) zwischen der ersten Anode (14) und der zweiten Anode (16) angeordnet ist und derart um eine gerade Mittellinie (19) gewunden ist, dass ein Abstand vom Nanodraht (15) zu der Mittellinie (19) konstant ist, wobei der zweite Abschnitt (18) von dem ersten Gehäuse (21) umgeben ist und die zweite Anode (16) mit dem größeren elektrischen Potential bewirkt, dass sich die Elektronen zur Emission einer monochromatischen elektromagnetischen Strahlung innerhalb des zweiten Abschnittes (18) mit einer annähernd konstanten Geschwindigkeit bewegen.

2. Fahrerassistenzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuse (21) an eine zu erzeugende Frequenz der monochromatischen elektromagnetischen Strahlung angepasst ist.

3. Fahrerassistenzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuse (21) an eine weitere zu erzeugende Frequenz der monochromatischen elektromagnetischen Strahlung anpassbar ist.

4. Fahrerassistenzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuse (21) eine erste Abmessung (22) hat, die senkrecht zur Mittellinie (19) verläuft und einstellbar ist.

5. Fahrerassistenzsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nanodraht (15) in dem ersten Abschnitt (17) spiralförmig verläuft.

6. Fahrerassistenzsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenbeschleuniger (12) sich zur Beschleunigung der Elektronen bis zu einer relativistischen Geschwindigkeit der Elektronen eignet.

7. Verfahren zur Erzeugung einer monochromatischen elektromagnetischen Strahlung mit einem Fahrerassistenzsystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit den folgenden Schritten:
– Emittieren von Elektronen aus der Elektronenquelle in den ersten Abschnitt (17) des Nanodrahtes (15),
– Beschleunigen der Elektronen in dem ersten Abschnitt (17) des Nanodrahtes (15) mithilfe eines elektrischen Feldes zwischen der Kathode (13) und der ersten Anode (14),
– Führen der Elektronen in dem zweiten Abschnitt (18) des Nanodrahtes (15) zwischen der ersten Anode (14) und der zweiten Anode (16) bei annähernd konstanter Geschwindigkeit,
– Emittieren der monochromatischen elektromagnetischen Strahlung, wobei zwischen der ersten Anode (14) und der zweiten Anode (16) eine Spannung angelegt wird, die einen Energieverlust der Elektronen beim Emittieren der elektromagnetischen monochromatischen Strahlung ausgleicht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Beschleunigungsspannung zwischen der Kathode (13) und der ersten Anode (14) in Abhängigkeit einer zu erzeugenden Frequenz der elektromagnetischen monochromatischen Strahlung eingestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden Innenwänden des ersten Gehäuses in Abhängigkeit einer zu erzeugenden Frequenz der elektromagnetischen monochromatischen Strahlung eingestellt wird.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Fahrerassistenzsystem mit einem Sender und einen Empfänger zur Erfassung eines Objektes in einem Umfeld eines Fahrzeugs.

Es ist bekannt, ein solches Fahrerassistenzsystem zur Unterstützung eines Fahrers des Fahrzeugs einzusetzen. Bekannte Sender- und Empfängerkomponenten für ein solches Fahrerassistenzsystem sind zum Beispiel die von LIDAR-Systemen oder Radarsystemen. So wird in der DE 10 2006 020 387 A1 eine Hinderniserkennungseinrichtung mit einem Radarsystem vorgeschlagen. Darin wird weiterhin ein kombiniertes System, bestehend aus einem Millimeterwellenradar und einem Laserradar zur Detektion von vor dem Fahrzeug befindlichen Objekten, offenbart. Aus der DE 10 2009 009 047 A1 ist bekannt, ein LIDAR zur Entfernungsmessung zu verwenden, um ein dreidimensionales Bild einer Umgebung des Fahrzeugs zu generieren.

Die oben genannten Sender- und Empfängerkomponenten können zum Beispiel für eine Unterstützung des Fahrers bei einem Einparkvorgang verwendet werden. Soll das Fahrerassistenzsystem auch für ein autonomes Fahren des Fahrzeugs Anwendung finden, so sind die Anforderungen an eine Präzision des Fahrerassistenzsystems höher, weil es beim autonomen Fahren für einen Betrieb des Fahrzeugs bei höheren Geschwindigkeiten als beim Einparken eingesetzt wird.

Diese höheren Anforderungen können mit den oben genannten Sender- und Empfängerkomponenten unter Umständen nicht erfüllt werden. So kann eine Verwendung eines LIDAR-Systems zur Erfassung der Umgebung des Fahrzeugs durch Witterungsbedingungen oder Rauch beeinträchtigt werden, insbesondere wenn das LIDAR-System bei Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Frequenzbandes arbeitet. Des Weiteren kann ein herkömmliches Radarsystem aufgrund von Phaseninstabilitäten der Radarstrahlung Einschränkungen bezüglich der Genauigkeit in allen drei Dimensionen aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Fahrerassistenzsystems mit einem Sender und einen Empfänger zur Erfassung einer Umgebung eines Fahrzeugs bereitzustellen, welches eine präzisere Erfassung der Umgebung des Fahrzeugs ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit einem Fahrerassistenzsystem mit den Merkmalen des Anspruches 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Fahrerassistenzsystem mit einem Sender und einem Empfänger zur Erfassung eines Objektes in einem Umfeld eines Fahrzeugs vorgeschlagen. Der Sender weist eine Elektronenquelle, einen Elektronenbeschleuniger mit einer Kathode und einer ersten Anode, ein erstes elektrisch leitendes Gehäuse, einen Nanodraht und eine zweite Anode mit einem gegenüber der ersten Anode größerem elektrischen Potential auf. Ein erster Abschnitt des Nanodrahtes ist zur Beschleunigung von aus der Kathode austretenden und in den Nanodraht eintretenden Elektronen zwischen der Kathode und der ersten Anode angeordnet. Des Weiteren hat der Nanodraht einen zweiten Abschnitt zum schraubenartigen Führen der Elektronen, wobei der zweite Abschnitt des Nanodrahtes zwischen der ersten Anode und der zweiten Anode angeordnet ist und derart um eine gerade Mittellinie gewunden ist, dass ein Abstand vom Nanodraht zu der Mittellinie konstant ist. Des Weiteren ist der zweite Abschnitt von dem ersten elektrisch leitenden Gehäuse umgeben. Die zweite Anode mit dem größeren elektrischen Potential bewirkt, dass sich die Elektronen zur Emission einer monochromatischen elektromagnetischen Strahlung innerhalb des zweiten Abschnittes mit einer annähernd konstanten Geschwindigkeit bewegen.

Dadurch, dass der zweite Abschnitt des Nanodrahtes mit einem konstanten Radius um die Mittellinie verläuft, werden die Elektronen in dem Nanodraht nahezu auf einer Kreisbahn geführt. Die sich auf der Kreisbahn bewegenden Elektronen werden in dem zweiten Abschnitt des Nanodrahtes zur Mittellinie hin, ähnlich wie bei einem Speicherring, beschleunigt. Die derart beschleunigten Elektronen strahlen eine Bremsstrahlung ab, die je nach Geschwindigkeit der Elektronen eine Wellenlänge von etwa 0,1 nm bis 0,1 mm haben kann und bevorzugt einer Synchrotronstrahlung entspricht. Charakteristisch für die Bremsstrahlung der Elektronen ist, dass ein Spektrum der Bremsstrahlung ein lokales Maximum hat, welches bevorzugt ein globales Maximum ist. Eine entsprechende Frequenz, bei welcher sich das lokale Maximum des Spektrums ausbildet, wird im Folgenden als eine spezifische Frequenz bezeichnet. Eine zur spezifischen Frequenz entsprechende Wellenlänge wird im Folgenden eine spezifische Wellenlänge genannt. Eine Energie eines Photons mit der spezifischen Wellenlänge wird im Folgenden als eine spezifische Energie bezeichnet, die sich aus einem Produkt mit dem Kehrbruch der spezifischen Wellenlänge als einem ersten Faktor und der Planckschen Wirkungskonstante als einem zweiten Faktor berechnet.

Während ein Elektron in dem Nanodraht den zweiten Abschnitt durchläuft, umläuft das Elektron vorzugsweise mehrmals die Mittellinie auf einer Kreisbahn. Die dabei abgestrahlte Bremsstrahlung des Elektrons bewirkt, dass das Elektron in dem Moment, in welchem es die Bremsstrahlung in Form einer elektromagnetischen Welle mit der spezifischen Wellenlänge abstrahlt, Energie verliert. Die spezifische Wellenlänge kann insbesondere von einer Umlaufdauer der Elektronen um die Mittellinie abhängen, wobei die Umlaufdauer eine Zeit beschreibt, die ein Elektron benötigt, um die Mittellinie einmal vollständig zu umrunden.

Bei einem konstanten Abstand des Nanodrahtes zur Mittellinie hängt die Umlaufdauer und damit die spezifische Wellenlänge von einer Geschwindigkeit der Elektronen in dem zweiten Abschnitt, im Folgenden spezifische Geschwindigkeit genannt, ab. Hierbei wird angenommen, dass gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Nanodraht in dem gesamten zweiten Abschnitt mit einer annähernd konstanten Steigung um die Mittellinie gewunden ist.

Eine verlorene Energie kann das Elektron dadurch wieder aufnehmen, indem es durch das an der zweiten Anode im Vergleich zur ersten Anode höhere Potential, bevorzugt kontinuierlich, in Richtung der zweiten Anode beschleunigt wird. Erreicht das Elektron eine Geschwindigkeit, die größer als die spezifische Geschwindigkeit ist, so kann das Elektron erneut die Bremsstrahlung abgeben, wodurch das Elektron langsamer wird. Somit bewirkt das höhere Potential der zweiten Anode, dass sich die Elektronen in dem zweiten Abschnitt mit einer Geschwindigkeit bewegen, die um die spezifische Geschwindigkeit schwankt und daher annähernd konstant ist.

Dabei wird vorzugsweise eine zweite Beschleunigungsspannung zwischen der ersten und der zweiten Anode derart eingestellt, dass ein Elektron zwischen einem ersten Abstrahlen einer Bremsstrahlung mit der spezifischen Wellenlänge und einem zweiten Abstrahlen der Bremsstrahlung mit ebenfalls der spezifischen Wellenlänge gerade so stark in Richtung der zweiten Anode beschleunigt wird, dass eine durch die Beschleunigung aufgenommene Energie nahezu gleich groß ist wie die Energie bei dem ersten bzw. zweiten Abstrahlen der Bremsstrahlung.

Praktischerweise wird die zweite Beschleunigungsspannung derart eingestellt, dass etwaig auftretende Verluste, beispielsweise durch einen nicht präzise hergestellten Nanodraht, kompensiert werden können.

Erfindungswesentlich ist, dass die Elektronen bei dem vorgeschlagenen Fahrerassistenzsystem in dem Nanodraht geführt werden. Der Nanodraht hat eine Dicke in einer Größenordnung von etwa ein bis einhundert Nanometer. Aufgrund dieser Dicke können sich im Vergleich zu einem normalen Draht nur sehr wenige Elektronen in einem Querschnitt des Nanodrahtes, unter besonderen Umständen nur ein Elektron, aufhalten. Dies kann bewirken, dass sich die Elektronen in dem Nanodraht senkrecht zu einem Querschnitt des Nanodrahtes wie freie Elektronen bewegen können.

Dadurch ist es möglich, dass die Elektronen in dem ersten Abschnitt in einer Richtung von der Kathode hin zur ersten Anode wie freie Elektronen beschleunigt werden können. Des Weiteren ist es dadurch nicht notwendig, dass ein direkter Kontakt zwischen dem Nanodraht und der ersten Anode für eine Beschleunigung der Elektronen in Richtung der ersten Anode besteht. Aus diesem Grund können die in dem ersten Abschnitt beschleunigten Elektronen ungehindert in den zweiten Abschnitt gelangen. Die aus dem ersten Abschnitt kommenden Elektronen treffen bevorzugt nicht auf die erste Anode. Dies kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, dass der Nanodraht durch ein Loch der ersten Anode geführt wird.

Aufgrund des geringen Querschnitts des Nanodrahtes ist eine Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen in dem Nanodraht aneinanderstoßen geringer als in einem normalen Draht. Dies kann einen Verlust bei einem Transport der Elektronen in dem Nanodraht reduzieren und ermöglichen, dass die Elektronen in dem Nanodraht auf sehr hohe, insbesondere relativistische, Geschwindigkeiten beschleunigt werden können.

Die oben genannten Eigenschaften des Nanodrahtes ermöglichen es, die Elektronen, die von der Elektronenquelle emittiert werden, ausgehend von der Kathode, hin zur ersten Anode auf sehr hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Die beschleunigten Elektronen gelangen, ausgehend von dem ersten Abschnitt, in den zweiten Abschnitt des Nanodrahtes, in welchem sie sich auf Kreisbahnen mit konstantem Radius bewegen und die Bremsstrahlung abgeben. Je höher die Geschwindigkeit der Elektronen in dem zweiten Abschnitt des Nanodrahtes ist, je stärker ist die von den Elektronen abgegebene Bremsstrahlung.

In vorteilhafter Weise werden die Elektronen in dem ersten Abschnitt auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt, wodurch eine höchstmögliche Bremsstrahlung in dem zweiten Abschnitt generiert werden kann. Hierzu ist der Elektronenbeschleuniger vorteilhaft derart ausgebildet, dass mit dem Elektronenbeschleuniger Elektronen bis auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt werden können.

Erfindungsgemäß ist der zweite Abschnitt von dem ersten elektrisch leitenden Gehäuse umgeben. An dem ersten Gehäuse wird die von den Elektronen erzeugte Bremsstrahlung reflektiert. Eine Reflexion der Bremsstrahlung an einer Innenwand des ersten Gehäuses verstärkt eine Entstehung eines elektromagnetischen Feldes innerhalb des ersten Gehäuses.

Die sich in dem zweiten Abschnitt bewegenden Elektronen können von diesem elektrischen Feld Energie aufnehmen, insbesondere wenn sich die Elektronen mit einer geringeren Geschwindigkeit als mit der spezifischen Geschwindigkeit bewegen. Umgekehrt können die sich in dem zweiten Abschnitt bewegenden Elektronen Energie an das elektromagnetische Feld abgeben, wenn sich die Elektronen mit einer höheren Geschwindigkeit als mit der spezifischen Geschwindigkeit in dem zweiten Abschnitt bewegen. Damit kann mit dem ersten Gehäuse ein Resonanzeffekt zwischen den sich in dem zweiten Abschnitt bewegenden Elektronen und dem elektromagnetischen Feld erzeugt werden.

Die Abgabe der Bremsstrahlung mit der spezifischen Wellenlänge und der mit dem ersten Gehäuse bei der spezifischen Geschwindigkeit der Elektronen erzeugte Resonanzeffekt ermöglichen es, sehr präzise mit dem Sender eine monochromatische elektromagnetische Strahlung mit der spezifischen Wellenlänge zu erzeugen. Des Weiteren strahlen die Elektronen die Bremsstrahlung tangential zu ihrer Bewegungsrichtung ab, wodurch eine sehr präzise Ausrichtung der elektromagnetischen Strahlung erreicht werden kann. Diese beiden Effekte ermöglichen es, mit Hilfe des vorgeschlagenen Fahrerassistenzsystems eine sehr präzise monochromatische elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Dadurch kann mit dem vorgeschlagenen Fahrerassistenzsystem ein präziseres Erfassen der Umgebung des Fahrzeugs im Vergleich zu bekannten Fahrerassistenzsystemen mit einem Radarsystem möglich sein. Gegenüber einem herkömmlichen LIDAR-System hat das vorgeschlagene Fahrerassistenzsystem den Vorteil, dass seine Leistungsfähigkeit nicht durch Nebel beeinträchtigt werden kann. Hierzu wird die spezifische Wellenlänge bevorzugt derart gewählt, dass sie außerhalb eines Wellenlängenbereiches des sichtbaren Lichts liegt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das erste Gehäuse an eine zu erzeugende Frequenz der monochromatischen elektromagnetischen Strahlung angepasst ist. Die zu erzeugende Frequenz ist im Folgenden gleichbedeutend mit der spezifischen Frequenz. In vorteilhafter Weise ist bei dieser Ausgestaltung eine erste Abmessung, die senkrecht zur Mittellinie verläuft, an die zu erzeugende Frequenz angepasst. Angepasst meint insbesondere, dass ein Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden Innenwänden des ersten Gehäuses gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der spezifischen Wellenlänge ist. Auf diese Weise kann der oben genannte Resonanzeffekt bei der zu erzeugenden, d.h. der spezifischen, Frequenz deutlich verstärkt werden. Insbesondere wird kein Resonanzeffekt bei Frequenzen erzeugt, die von der spezifischen Frequenz abweichen, wodurch diese Frequenzen bevorzugt unterdrückt werden. Das erste Gehäuse wirkt bei dieser Ausgestaltung wie ein Resonator, wenn das Gehäuse mit der spezifischen Frequenz angeregt wird.

Insbesondere ist eine erste Beschleunigungsspannung zwischen der Kathode und der ersten Anode derart eingestellt, dass die Elektronen in dem zweiten Abschnitt eine Geschwindigkeit haben, bei welcher die Elektronen die Bremsstrahlung mit der spezifischen Frequenz abstrahlen. Die zu erzeugende Frequenz liegt vorzugsweise in einem Frequenzbereich der Mikrowellen. In gleicher Weise wie das erste Gehäuse an die zu erzeugende Frequenz angepasst werden kann, ist es genauso möglich, dass die erste Beschleunigungsspannung derart eingestellt wird, dass die Elektronen in dem zweiten Abschnitt die spezifische Geschwindigkeit erreichen und die spezifische Geschwindigkeit an den Abstand zwischen den gegenüberliegenden Innenwänden des ersten Gehäuses angepasst ist, sodass das erste Gehäuse wie ein Resonator bei der spezifischen Frequenz wirkt. In diesem Fall ist jedoch die spezifische Frequenz nicht frei wählbar.

Die erste Abmessung verläuft insbesondere deswegen senkrecht zur Mittellinie, weil die Elektronen die Bremsstrahlung tangential zu ihrer Bewegungsrichtung abstrahlen.

Der durch das erste Gehäuse bereitgestellte Resonanzeffekt kann in vorteilhafter Weise die durch die im zweiten Abschnitt befindlichen Elektronen erzeugte monochromatische elektromagnetische Strahlung stabilisieren.

Dadurch, dass das erste Gehäuse an die zu erzeugende Frequenz angepasst ist, kann innerhalb des ersten Gehäuses ein elektromagnetisches Feld erzeugt werden, welches im Wesentlichen nur elektromagnetische Wellen mit der spezifischen Wellenlänge aufweist. Dies begünstigt die Aufnahme und Abgabe der spezifischen Energie von dem beziehungsweise an das elektromagnetischen Feld durch die Elektronen, die sich in dem zweiten Abschnitt des Nanodrahtes befinden.

Insbesondere kann ein Elektron, welches eine geringere kinetische Energie als ein Elektron mit einer spezifischen Geschwindigkeit hat, die spezifische Energie leicht von dem elektromagnetischen Feld aufnehmen. Umgekehrt kann ein Elektron, welches eine höhere kinetische Energie als ein Elektron mit einer spezifischen Geschwindigkeit hat, die spezifische Energie leicht an das elektromagnetische Feld abgeben. Besonders vorteilhaft kann die spezifische Energie von einem sich in dem Nanodraht bewegenden Elektron an ein sich in dem Nanodraht langsamer bewegendes Elektronen abgegeben werden.

Besonders vorteilhaft ist ein Zeitpunkt einer Abgabe und/oder einer Aufnahme der spezifischen Energie durch die Elektronen an einen zeitlichen Verlauf des elektromagnetischen Feldes in dem ersten Gehäuse gekoppelt. Hierdurch kann bewirkt werden, dass die Elektronen die monochromatische elektromagnetische Strahlung phasengleich abstrahlen, wie es bei einer stimulierten Emission bei einem Maser der Fall ist. Durch Verwendung des an die zu erzeugende Frequenz angepassten ersten Gehäuses kann somit nicht nur eine monochromatische, sondern auch eine kohärente elektromagnetische Strahlung erzeugt werden. Eine Verwendung einer derart erzeugten kohärenten monochromatischen elektromagnetischen Strahlung ermöglicht eine noch präzisere Bestimmung von Entfernungen von Objekten im Umfeld des Fahrzeugs.

Mit dem vorgeschlagenen Fahrerassistenzsystem kann eine kohärente monochromatische elektromagnetische Strahlung deutlich einfacher als beispielsweise in einem Gyrotron hergestellt werden. Es wird hierbei kein Magnetfeld benötigt, wie es bei einem Gyrotron erforderlich ist und beispielsweise Größenordnungen von 8 bis 9 Tesla aufweist. Somit kann das vorgeschlagene Fahrerassistenzsystem deutlich kleiner als ein Gyrotron ausgeführt sein.

Im Vergleich zu einem üblichen Maser wird kein aktives Medium benötigt. Aus diesem Grund kann ein Aufbau des vorgeschlagenen Fahrerassistenzsystems einfacher als bei einem Maser nach dem Stand der Technik ausgeführt sein, weil man auf einen Einsatz von Gasen oder organischen Halbleitern verzichten kann. Des Weiteren ist eine Verwendung von seltenen Erden oder Edelsteinen oder komplizierten Reflektoren nicht nötig. Dadurch wird mit dem vorgeschlagenen Fahrerassistenzsystem eine Möglichkeit geschaffen, monochromatische, insbesondere kohärente, elektromagnetische Strahlung vergleichsweise einfach und kostengünstig bereitzustellen. Des Weiteren kann der oben beschriebene Sender mit dem Nanodraht mit Hilfe von bekannten Halbleiterfertigungsprozessen, die sehr geringe Prozessschwankungen haben, hergestellt werden. Dies ermöglicht beispielsweise, das erste Gehäuse sehr präzise an die zu erzeugende Frequenz anzupassen.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das erste Gehäuse an eine weitere zu erzeugende Frequenz der monochromatischen elektromagnetischen Strahlung anpassbar. Bei dieser Ausgestaltung lässt sich vorteilhaft eine der Innenwände des ersten Gehäuses derart bewegen, dass die erste Abmessung an die weitere zu erzeugende Frequenz anpassbar ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass in dem ersten Gehäuse ein Isolator angeordnet ist. Der Isolator ist bevorzugt als ein Dielektrikum ausgeführt und weist bevorzugt ein Material, wie zum Beispiel Siliziumdioxid, auf, bei welchem sich keine Elektronen in einem Leitungsband des Materials befinden. Vorteilhaft umgibt und stützt der Isolator den Nanodraht. In einer weiteren besonderen Ausgestaltung kann der Isolator als ein Vakuum ausgebildet sein.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung verläuft der Nanodraht in dem ersten Abschnitt spiralförmig. Dies kann eine Beschleunigung der Elektronen vor allem in dem Bereich der Kathode vereinfachen. Des Weiteren kann hierdurch Material des Nanodrahtes eingespart werden, da eine Endgeschwindigkeit, die die Elektronen in der Nähe der ersten Anode erreichen, im Wesentlichen von der ersten Beschleunigungsspannung, welche zwischen der Kathode und der ersten Anode anliegt, abhängt. Verläuft der Nanodraht im ersten Abschnitt spiralförmig, wobei in einem Bereich der Kathode ein Abstand zur Mittellinie geringer als in einem Bereich in der Nähe der ersten Anode ist, verringert sich eine Gesamtlänge des Nanodrahtes im ersten Abschnitt.

Eine Weiterbildung kann vorsehen, dass der erste Abschnitt von einem eine elektromagnetische Strahlung isolierenden zweiten Gehäuse umgeben ist. Das zweite Gehäuse kann eine elektromagnetische Strahlung, die nicht monochromatisch ist, abschirmen, so dass der Sender lediglich die im zweiten Abschnitt erzeugte monochromatische Strahlung abstrahlt. Besonders vorteilhaft schirmt das zweite Gehäuse im Wesentlichen sämtliche Strahlung ab, die von dem ersten Abschnitt des Nanodrahtes ausgesandt wird.

Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird des Weiteren ein Verfahren zur Erzeugung einer monochromatischen elektromagnetischen Strahlung mit einem Fahrerassistenzsystem nach einer der oben genannten Ausgestaltungen vorgeschlagen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf. In einem ersten Schritt werden Elektronen aus der Elektronenquelle in den ersten Abschnitt des Nanodrahtes emittiert. In einem zweiten Schritt werden die Elektronen in dem ersten Abschnitt des Nanodrahtes mit Hilfe eines elektrischen Feldes zwischen der Kathode und der ersten Anode beschleunigt. In einem dritten Schritt werden die Elektronen in dem zweiten Abschnitt des Nanodrahtes zwischen der ersten Anode und der zweiten Anode bei annähernd konstanter Geschwindigkeit geführt. In einem vierten Schritt wird die monochromatische elektromagnetische Strahlung emittiert. Während diese Strahlung emittiert wird, liegt eine Spannung zwischen der ersten und der zweiten Anode an, die einen Energieverlust der Elektronen beim Emittieren der elektromagnetischen monochromatischen Strahlung ausgleicht.

In einer besonderen Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Beschleunigungsspannung zwischen der Kathode und der ersten Anode in Abhängigkeit der zu erzeugenden Frequenz der elektromagnetischen monochromatischen Strahlung eingestellt wird. Bei dieser Variante des Verfahrens ist es möglich, dass bei einer Entwicklung des Senders der Abstand des Nanodrahtes zur Mittellinie unabhängig von der zu erzeugenden Frequenz der Strahlung ausgelegt wird, was eine Entwicklung und Fertigung des Senders für unterschiedliche zu erzeugende Frequenzen erleichtern kann. In vorteilhafterweise beträgt der Abstand zwischen den zwei gegenüberliegenden Innenwänden des ersten Gehäuses einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte einer zur erzeugenden Frequenz korrespondierenden Wellenlänge, d.h. der spezifischen Wellenlänge. Die erste Beschleunigungsspannung kann nach einer ersten Ausführungsform auf einen ersten Wert eingestellt werden, beispielsweise auf 0,2 Volt, so dass eine Grundschwingung des ersten Gehäuses angeregt wird. In diesem Fall beträgt der Abstand gleich der Hälfte der spezifischen Wellenlänge. Weitere Varianten können vorsehen, dass die erste Beschleunigungsspannung jeweils ein Vielfaches des ersten Wertes annimmt, beispielsweise 0,4, 0,6, ... 3,8, 4,0 Volt, wobei entsprechende Oberschwingungen des ersten Gehäuses angeregt werden. Ist die erste Beschleunigungsspannung in einem Bereich von 0,2 Volt bis 4,0 Volt einstellbar können auf diese Art bis zu zwanzig verschiede spezifische Frequenzen eingestellt werden.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der Abstand zwischen den zwei gegenüberliegenden Innenwänden des ersten Gehäuses in Abhängigkeit der zu erzeugenden Frequenz der elektromagnetischen monochromatischen Strahlung eingestellt wird. Besonders vorteilhaft weist der Sender eine Regelung mit der ersten Beschleunigungsspannung und dem Abstand als Steuergrößen und mit der zu erzeugenden Frequenz als Stellgröße auf. Die einstellbare erste Beschleunigungsspannung in Kombination mit dem einstellbaren Abstand kann unter Umständen eine Erzeugung verschiedener spezifischer Frequenzen der Strahlung erst ermöglichen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zumindest eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Figuren.

Diese zeigen in:

1 eine schematische Abbildung eines Fahrerassistenzsystems für ein Fahrzeug zum Bestimmen von Entfernungen von Objekten in einer Umgebung des Fahrzeugs,

2 eine Schnittansicht eines Senders des Fahrerassistenzsystems nach 1,

3 eine schematische Abbildung eines Nanodrahtes des Senders nach 2.

1 zeigt ein Fahrerassistenzsystem 1 für ein Fahrzeug 2 zum Bestimmen von Entfernungen von Objekten 3 in einer Umgebung des Fahrzeugs 2. Das Fahrerassistenzsystem 1 weist einen Sender 4, einen Empfänger 5 und eine nicht dargestellte Auswertungseinheit auf. Die von dem Sender 4 ausgesandte elektromagnetische Strahlung wird an den Objekten 3 reflektiert und kann mit dem Empfänger 5 empfangen werden. Mithilfe der Auswertungseinheit kann insbesondere eine Laufzeit zumindest eines mit dem Sender 4 gesendeten und mit dem Empfänger 5 empfangenen Signals erfasst werden. Über die Laufzeit errechnet die Auswertungseinheit die Entfernung zumindest eines der Objekte 3 zu dem Fahrzeug 2. Die von dem erfindungsgemäßen Fahrerassistenzsystem 1 ausgesandte monochromatische elektromagnetische Strahlung ermöglicht ein besonders präzises Lokalisieren, d.h. Bestimmen der Entfernung, der Objekte 3. Des Weiteren kann mithilfe der Auswertungseinheit eine relative Geschwindigkeit zumindest eines der Objekte 3 zu dem Fahrzeug 2 berechnet werden. Die relative Geschwindigkeit ist bevorzugt in einer Ebene parallel zu einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs 2 ausgerichtet.

2 zeigt eine Schnittansicht des Senders 4. Der Sender 4 hat eine Elektronenquelle 11, einen Elektronenbeschleuniger 12 mit einer Kathode 13 und einer ersten Anode 14, einen Nanodraht 15 und eine zweite Anode 16.

3 zeigt den Nanodraht 15, der in einen ersten Abschnitt 17 und einen zweiten Abschnitt 18 unterteilt ist.

Wie in 2 gezeigt, ist der erste Abschnitt 17 des Nanodrahtes 15 zur Beschleunigung von aus der Kathode 13 austretenden und in den ersten Abschnitt 17 eintretenden Elektronen zwischen der Kathode 13 und der ersten Anode 14 angeordnet. Zur Beschleunigung der Elektronen weist die erste Anode 14 ein größeres elektrisches Potenzial als die Kathode 13 auf. Der zweite Abschnitt 18 des Nanodrahtes 15 ist zwischen der ersten Anode 14 und der zweiten Anode 16 angeordnet. Der zweite Abschnitt 18 des Nanodrahtes 15 ist derart um eine gerade Mittellinie 19 gewunden, dass ein Abstand 20 vom Nanodraht 15 zu der Mittellinie 19 konstant ist. Der zweite Abschnitt 18 des Nanodrahtes 15 eignet sich vorteilhaft, die in dem Nanodraht 15 befindlichen Elektronen schraubenartig um die Mittellinie 19 zu führen.

In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der zweite Abschnitt 18 des Nanodrahtes 15 von einem ersten elektrisch leitenden Gehäuse 21 umgeben. Abweichend von der in 2 gezeigten Ausführungsform kann der Nanodraht 15 einen Abstand zu einer parallel zur Mittellinie 19 verlaufenden Innenwand des ersten Gehäuses aufweisen. Dies kann eine Fertigung des Senders vereinfachen.

Ausgehend von der Kathode 13, welche bevorzugt zweifach negativ dotiert ist, werden die von der Kathode emittierten Elektronen in den ersten Abschnitt 17 des Nanodrahtes 15 eingekoppelt. Innerhalb des Elektronenbeschleunigers 12 ist der Nanodraht 15 vorzugsweise spiralförmig ausgebildet, so dass die durch den ersten Abschnitt 17 durchlaufenden Elektronen sich entlang einer kegelschraubenartigen Bahn bewegen. Durch eine angelegte erste Beschleunigungsspannung U1 zwischen der Kathode 13 und der ersten Anode 14 werden die Elektronen innerhalb des ersten Abschnittes 17, bevorzugt auf relativistische Geschwindigkeiten, beschleunigt.

Die erste Anode 14 weist vorzugsweise ein Loch auf, durch welches der Nanodraht 15 verläuft. So können die in dem ersten Abschnitt 17 beschleunigten Elektronen ungehindert von dem ersten Abschnitt 17 in den zweiten Abschnitt 18 des Nanodrahtes 15 gelangen.

Die Geschwindigkeit, mit welcher die Elektronen aus dem ersten Abschnitt 17 austreten, wird dabei durch eine Ladungsträgerbeweglichkeit im Nanodraht 15 und durch die erste Beschleunigungsspannung U1 bestimmt. Bevorzugt weist der Nanodraht eine Dicke in einer Größenordnung von etwa 1 bis einhundert Nanometer auf. Die Dicke in dieser Größenordnung begrenzt eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons in einem Querschnitt des Nanodrahtes derart, dass ein Elektron sich aus quantenmechanischer Sicht im Wesentlichen nur eindimensional, nämlich senkrecht zu dem Querschnitt, bewegen kann. Deshalb ist eine Wahrscheinlichkeit, dass sich zwei Elektronen in einem selben Querschnitt des Nanodrahtes aufhalten, sehr gering, wodurch eine sehr große Ladungsträgerbeweglichkeit im Nanodraht 15 bewirkt wird. Dies gilt sowohl für den ersten Abschnitt 17 als auch für den zweiten Abschnitt 18.

Zwischen der ersten Anode 14 und der zweiten Anode 16 verläuft der Nanodraht 15 schraubenartig um die Mittellinie 19. Zwischen der ersten Anode 14 und der zweiten Anode 16 liegt eine zweite Beschleunigungsspannung U2 an, die Energieverluste der Elektronen im zweiten Abschnitt 18 des Nanodrahtes 15 ausgleichen kann. Dabei können die Energieverluste durch eine Abstrahlung einer Bremsstrahlung und/oder durch Stöße der Elektronen an Innenwänden des Nanodrahtes 15, beispielsweise aufgrund von Unreinheiten des Nanodrahtes 15, verursacht werden.

Dadurch, dass der Nanodraht 15 im zweiten Abschnitt 18 den konstanten Abstand 20 zur Mittellinie 19 aufweist, können die Elektronen im zweiten Abschnitt 18 eine Helixbahn beschreiben. Bei der Bewegung auf dieser Helixbahn geben die Elektronen elektromagnetische Strahlung, d. h. die Bremsstrahlung, mit einer konstanten zu erzeugenden Frequenz ab. Die zu erzeugende Frequenz wird insbesondere durch eine Kreisperiodendauer, d. h. die Zeit, die das Elektron braucht, um die Mittellinie 19 einmal komplett zu umrunden, bestimmt. Die Kreisperiodendauer ist abhängig von dem Abstand 20 und einer Geschwindigkeit der Elektronen in dem zweiten Abschnitt 18 des Nanodrahtes 15.

Je höher diese Geschwindigkeit ist, desto höher ist die Energie der abgegebenen Bremsstrahlung, d. h. desto höher ist die Frequenz der abgegebenen Strahlung. Das den Nanodraht 15 umgebende erste Gehäuse 21 bewirkt, dass die von den Elektronen abgegebenen elektromagnetischen Wellen an Innenwänden des ersten Gehäuses 21 reflektiert werden. Durch diese Reflexion bilden sich innerhalb des ersten Gehäuses 21 ein elektromagnetisches Feld und eine Wechselwirkung zwischen diesem Feld und den sich in dem zweiten Abschnitt 18 bewegenden Elektronen aus.

Aufgrund der Wechselwirkung kann vorteilhaft eine Zyklotronresonanz erzeugt werden. In vorteilhafter Weise ist das erste Gehäuse 21 an eine Resonanzfrequenz, d.h. die zu erzeugende Frequenz, bei der die Wechselwirkung am stärksten ist, angepasst. Die Resonanzfrequenz ist direkt von den geometrischen Abmessungen des ersten Gehäuses 21 abhängig. In vorteilhafter Weise ist eine erste Abmessung 22, welche senkrecht zur Mittellinie 19 verläuft, an die Resonanzfrequenz angepasst. Ebenso ist es auch möglich, dass eine zweite Abmessung 23, welche parallel zur Mittellinie 19 verläuft, an die Resonanzfrequenz angepasst ist.

Das erste Gehäuse 21 weist zur Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung ein Fenster 24, bevorzugt in einem Bereich der zweiten Anode 16, auf. Die aus dem Fenster 24 ausgekoppelte elektromagnetische Strahlung ist vorzugsweise monochromatisch und kohärent. Das Fenster 24 weist vorzugsweise ein nicht leitendes Material auf. In der in 2 dargestellten Ausführungsform erreichen die Elektronen am Ende des zweiten Abschnittes 18 des Nanodrahtes 15 die zweite Anode 16.

Der Sender 4, der vorteilhaft quaderförmig ausgebildet ist, kann in drei funktionale Einheiten 31, 32, 33 aufgeteilt sein. Die erste Einheit 31 dient zum Beschleunigen der Elektronen und weist hierzu insbesondere den Elektronenbeschleuniger 12 auf. Mithilfe der zweiten Einheit 32 kann die Bremsstrahlung erzeugt werden, die mittels der dritten Einheit 33 ausgekoppelt wird. In der dritten Einheit 33 erfolgt weiterhin eine Abführung der Elektronen.

In vorteilhafter Weise sind die erste und/oder die zweite Abmessung 22, 23 an die zu erzeugende Frequenz anpassbar. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass durch eine nicht in 2 dargestellte Vorrichtung zwei gegenüberliegende Innenwände 25, 26 zueinander verschiebbar sind. In gleicher Weise können zwei weitere gegenüberliegende Innenwände 27 und 28 zueinander verschiebbar angeordnet sein. Mithilfe einer geeigneten Wahl der ersten Abmessung 22 und/oder der zweiten Abmessung 23 und/oder mithilfe einer Variation der ersten Beschleunigungsspannung U1 können verschiedene Frequenzen einer monochromatischen kohärenten elektromagnetischen Strahlung erzeugt werden. Hierbei kann durch die, bevorzugt quantisierten, Resonanzfrequenzen eine Empfindlichkeit gegen kleine Variationen der zweiten Beschleunigungsspannung U2 ausgeschlossen werden.

Die zweite Anode 16 weist gegenüber der ersten Anode 14 ein größeres elektrisches Potenzial auf. Dieses größere elektrische Potenzial bewirkt, dass sich die Elektronen zur Emission der monochromatischen elektromagnetischen Strahlung innerhalb des zweiten Abschnittes 18 mit einer annähernd konstanten Geschwindigkeit bewegen. Dies ist dadurch begründet, dass die zweite Beschleunigungsspannung U2 etwaige Verluste eines realen Nanodrahtes im Vergleich zu einem theoretisch perfekten Nanodraht und Energieverluste durch die Abstrahlung der Bremsstrahlung kompensieren kann.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102006020387 A1 [0002]
  • DE 102009009047 A1 [0002]