DE102021211063A1

DE102021211063A1 - LiDAR-System und Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Systems

Info

Publication number: DE102021211063A1
Application number: DE102021211063.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wichmann; Marc Schmid
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-02-17
Filing date: 2021-10-01
Publication date: 2022-08-18

Abstract

Offenbart ist ein LiDAR-System (1), das eine Sendeeinheit (2) und eine Empfangseinheit (3) aufweist, wobei die Sendeeinheit (2) dafür eingerichtet ist, einen oder mehrere Lichtstrahlen in eine Umwelt auszusenden, und die Empfangseinheit (3) dafür eingerichtet ist, den einen oder die mehreren Lichtstrahlen zu empfangen, nachdem sie in der Umwelt an einem Objekt (4) reflektiert wurden. Das LiDAR-System (1) ist dafür eingerichtet, die Lichtstrahlen vor dem Aussenden in die Umwelt in Abhängigkeit von einem Abstand (d) des LiDAR-Systems (1) zu dem Objekt (4) hinsichtlich mindestens einer Lichtstrahleigenschaft anzupassen, um ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis des zu empfangenden Lichtstrahls, das an der Empfangseinheit (3) erzielt wird, zu optimieren.
Weiter ist ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben des LiDAR-Systems (1) offenbart.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-System, das eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit aufweist, wobei die Sendeeinheit dafür eingerichtet ist, einen oder mehrere Lichtstrahlen in eine Umwelt auszusenden, und die Empfangseinheit dafür eingerichtet ist, den einen oder die mehreren Lichtstrahlen zu empfangen, nachdem sie in der Umwelt an einem Objekt reflektiert wurden.
Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Systems, umfassend die Schritte Bestrahlen einer Umwelt des LiDAR-Systems mit einem oder mehreren Lichtstrahlen durch eine Sendeeinheit des LiDAR-Systems, Empfangen des von einem Objekt in der Umwelt reflektierten Lichtstrahls durch eine Empfangseinheit des LiDAR-Systems und Bestimmen eines Abstands zwischen dem LiDAR-System und dem Objekt anhand des empfangenen Lichtstrahls durch das LiDAR-System.
Stand der Technik
Oben genannte LiDAR-Systeme und Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Systems sind grundsätzlich bekannt.
Ein LiDAR-Sensor (nicht ausschließlich, aber auch Automotive-LiDAR) kann auf verschiedenen Messverfahren beruhen. Ein vielversprechendes Messverfahren ist ein kohärenter Ansatz, welcher auf Interferenz des vom Objekt zurückgestreuten Lichtes mit einem sogenannten Lokaloszillator (LO) beruht. Hierzu wird zunächst eine hochkohärente CW-Laserquelle (d.h. Dauerstrich-Laserquelle) phasen- bzw. frequenzmoduliert. Das Lasersignal wird in einen Referenzarm und in einen Signalarm aufgeteilt. Im Signalarm wird der Laserstrahl, hier auch allgemeiner als Lichtstrahl bezeichnet, von einer Ablenkeinheit (z.B. Spiegel) in die anvisierte Richtung abgelenkt. Beim Empfang werden sowohl der LO als auch das zurückreflektierte bzw. zurückgestreute Signal überlagert und interferieren. Für eine typische Rampenmodulation der Laserfrequenz erhält man dann folgendes Bild: das vom Objekt zurückkehrende Signal ist zeitlich verzögert und besitzt mitunter auch eine Dopplerverschiebung seiner Frequenz, falls das Ziel sich mit einer anderen Geschwindigkeit bewegt als der Sensor. Die Überlagerung aus LO und Signal (heterodyne Interferenz) führt nun zu einer Schwebung (engl: Beating), welche mit einem gewöhnlichen PiN-Photodetektor registriert werden kann. Eine Fourier-Transformation liefert anschließend das Spektrum des Signals. Dieses Verfahren wird auch FMCW genannt (engl. frequency modulated continuous wave). Entsprechend sind bevorzugte LiDAR-Systeme, auf die sich die vorliegende Anmeldung bezieht, FMCW-LiDAR-Systeme. Es kann sich um ein faserbasiertes FMCW-LiDAR-System handeln. Das LiDAR-System kann eine lineare Frequenzmodulation durchführen. Die Position eines Peaks in einem Leistungsspektrum ergibt sich aus einem Range- und einem Doppler-Anteil. Dieser kann je nach Ausprägung und Vorzeichen die Peak-Position stark beeinflussen.
Vorteile von kohärenten Ansätzen sind mitunter:

- Extrem hohe Empfindlichkeit auch für schwache Signale. Die Beat-Signal Leistung enthält den Faktor √(P_LOP_S), wobei P_LO und P_S die Leistung des Lokaloszillators bzw. des Zielsignals sind. Bei genügend starkem LO, können auch bei sehr kleinen Signalleistungen Ps trotzdem ausreichend große Beatsignale erzeugt werden.
- Entfernungs- und Geschwindigkeitsinformation aus einer einzigen Messung;
- Nutzung von kostengünstigen Standard-Photodioden ist möglich, APDs und SPADs werden nicht benötigt;
- Arbeiten im sogenannten shot-noise limit, wenn LO genügend stark ist. Diese führt zu einer Unempfindlichkeit des Messsignals gegenüber Hintergrundlicht sowie Fremdlicht (z.B. eines anderen LiDAR Sensors);
- Nutzung von State-of-the-art Telekommunikationstechnologie im Bereich 1310 nm oder 1550 nm ist möglich. Beide Wellenlängenbereiche ermöglichen auch die Realisierung einer LiDAR-Engine auf Basis eines photonischen ICs (Silizium-Photonik).

Herausforderungen für ein solches Verfahren sind unter anderem:

- hochkohärente Laserquelle mit Linienbreiten von < 100 kHz und genügend starker Ausgangsleistung werden benötigt (P_out > 100 mW);
- bei Rampenverfahren: extrem lineare Modulation der Laserfrequenz notwendig;
- Mehrobjekt-Fähigkeit nicht intrinsisch gegeben (erfordert andere Modulationsansätze);
- Speckle-Effekte führen zu statistischen Fluktuationen der Beat-SignalIntensität und verringern die Detektionswahrscheinlichkeit.
- Sogenanntes Mode Matching zwischen den sich überlagernden Teilstrahlen auf dem Detektor sollte maximiert werden, um ein entsprechend großes Beat-Signal zu erhalten (ergibt sich aus Überlappintegral zwischen den Teilstrahlen des LO und des Signals). Das System erlaubt somit keine beliebigen Strahlformen, sondern erzwingt einen kollimierten Gaußstrahl mit kleiner Divergenz. Ebenso kann die Ausgangsstrahlgröße bzw. Sendeapertur nicht beliebig gewählt werden, vielmehr gibt es für einen vorgegebenen Objektabstand einen optimalen Wert. Bei biaxialen Systemen ist darauf zu achten, dass die Empfangsapertur eine ähnliche Größe haben sollte, wie die Sendeapertur, eine beliebige Vergrößerung bringt keinen Mehrwert im Hinblick auf das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (Engl.: Signal-to-noise-ratio, kurz: SNR). Zusätzlich zum Messverfahren spielt auch die Ablenkeinheit eine zentrale Rolle, die erforderlich ist, um den Laserstrahl oder die Laserstrahlen (bei parallelisiertem LiDAR-System) in die Zielpixel zu lenken.

Eine besonders elegante Art und Weise, den Strahl bei einem LIDAR-System abzulenken, ist eine vollintegrierte, chip-basierte Lösung basierend auf einem sogenannten „Optical phased array“, dt. optisches Phasenarray, kurz OPA. Hierbei wird das Licht auf viele verschiedene Antennen aufgeteilt, wobei jede Antenne als Huygens-Emitter fungiert. Das Prinzip ist ähnlich zu dem aus dem Radar-Bereich bekannten Verfahren, in dem die ausgesendeten Anteile einer jeden Antenne im Fernfeld interferieren und ein Beugungsmuster mit einem hellen, zentralen Spot ergeben. Durch geschicktes Einstellen der Phasenlagen einer jeden Antenne, kann die entstehende Strahlkeule nun durch den Raum bewegt werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein LiDAR-System der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, bei dem das LiDAR-System dafür eingerichtet ist, die Lichtstrahlen vor dem Aussenden in die Umwelt in Abhängigkeit von einem Abstand des LiDAR-Systems zu dem Objekt hinsichtlich mindestens einer Lichtstrahleigenschaft anzupassen, um ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis des zu empfangenden Lichtstrahls, das an der Empfangseinheit erzielt wird, zu optimieren.
Vorteile der Erfindung
Das vorgestellte LiDAR-System hat den Vorteil, dass die Signalqualität an der Empfangseinheit zu dem Objekt verbessert ist. So wird eine verbesserte Funktion des LiDAR-Systems gegenüber dem Stand der Technik erreicht. Die Erfindung kann im Produktbereich von LiDAR-Sensoren für das autonome Fahren eingesetzt werden. Darüber hinaus sind Anwendungen beispielsweise im Robotik-Bereich, im Bereich Industrie-LiDAR (z.B. in der Logistik), in der Consumer 3D-Umfelderkennung oder auch für Range Finder Produkte (Power Tools) denkbar.
Entscheidend für den Erfolg eines jeden LiDAR-Ansatzes ist nämlich stets ein genügend großes SNR im Empfangspfad, der vorzugsweise mit der Empfangseinheit beginnt. Es folgt nun zunächst eine wellenoptische Betrachtung des SNR.
In einem kohärenten LiDAR System kann das resultierende Signal-zu-Rausch-Verhältnis durch folgende Beziehung beschrieben werden: $S N R = \frac{η}{h v_{L O} B} \cdot 〈 m 〉 \cdot \bar{P_{S}} = \frac{η}{h v_{L O} B} \cdot \bar{I_{S}} \cdot A_{e f f}$
Mit $〈 m 〉 = \frac{\iint_{A_{R}} \iint_{A_{R}} μ_{B} (\vec{r_{1}} - \vec{r_{2}}) e_{L O} (\vec{r_{1}}) e_{L O}^{*} (\vec{r_{2}}) d \vec{r_{1}} d \vec{r_{2}}}{A_{R}}$
und $A_{e f f} = \iint_{A_{R}} \iint_{A_{R}} μ_{B} (\vec{r_{1}} - \vec{r_{2}}) e_{L O} (\vec{r_{1}}) e_{L O}^{*} (\vec{r_{2}})$

Die Variablen und ihre Bedeutungen sind in folgender Tabelle zusammengefasst:

η	Detektionseffizienz
h	Planck'sches Wirkungsquantum
v_LO	Optische Frequenz des Lokaloszillators
B	Detektionsbandbreite
(m)	Mixing efficiency
P _S	Mittlere über effektiver Fläche empfangene Signalleistung
I_S	Mittlere zurückkommende Signalintensität
A_eff	Effektive Empfangsfläche
p_E (r₁ - r₂ )	Speckle Korrelationsfunktion
e_LO	Feldstärke des Lokaloszillators

Wie zu erkennen, hängt das SNR direkt mit der Größe (m) zusammen, welche auch als „Coherent Mixing efficiency“, kohärente Mischeffizienz, bezeichnet wird. Die Mixing efficiency beschreibt den modalen Überlapp aus Lokaloszillator e_LO und zurückreflektiertem Signal Es. Es ist ersichtlich, dass für eine gute SystemPerformance eine Maximierung der Mixing efficiency erstrebenswert ist.
Das zurückkommende Feld Es ist in der Variablen $μ_{B} (\vec{r_{1}} - \vec{r_{2}})$
enthalten, welche auch als Speckle-Korrelationsfunktion bezeichnet wird. Diese kann ausgedrückt werden durch: $\begin{array}{l} μ_{A} (x_{1}, x_{2}, y_{1}, y_{2}) = e^{j \frac{k}{2 z} (x_{1}^{2} + y_{1}^{2} - x_{2}^{2} - y_{2}^{2})} \frac{\iint_{- \infty}^{+ \infty} l (α, β) e^{j \frac{2 π}{λ z} (α Δ x + β Δ y)} d α d β}{\iint_{- \infty}^{+ \infty} l (α, β) d α d β} \\ μ_{B} (x_{1}, x_{2}, y_{1}, y_{2}) \propto {\int \int l}_{- \infty}^{+ \infty} (α, β) e^{j \frac{2 π}{λ z} (α Δ x + β Δ y)} d α d β \end{array}$
, wobei I(a,β) das Intensitätsprofil der vom Laser ausgeleuchteten Fläche auf dem Ziel ist. Die hier gezeigte Speckle-Korrelationsfunktion entsteht aus der Annahme einer ideal streuenden Oberfläche (idealer Lambert-Streuer, welches für die meisten Anwendungsfälle zutrifft) und einer durchgeführten statistischen Mittelung. Letzteres ist notwendig, da das zurückkommende Feld aufgrund der diffusen Streuung stark von sogenannten Speckles geprägt und damit eine statistische Größe ist. Nach Mittelung erkennt man, dass die Speckle-Korrelationsfunktion letztlich nur durch die ausgeleuchtete Fläche auf dem Ziel beschrieben wird. Da das Integral in Gleichung 4 eine Fourier-Transformation ist, ist z.B. die Korrelationsfunktion bei einer gaußförmigen Ausleuchtung ebenfalls gaußförmig. Die zweidimensionale Ausdehnung dieser Funktion kann man auch als durchschnittliche Größe einer hellen Speckle-Zelle interpretieren. Man erkennt also, dass für die Detektion die mittlere Ausdehnung einer hellen Speckle-Zelle entscheidend ist.
Eine 2-D Integration über das Quadrat der Korrelationsfunktion ergibt für die Speckle-Zell-Größe A_C: $A_{C} = \frac{{(λ z)}^{2}}{A}$
, wobei A die ausgeleuchtete Fläche auf dem Ziel ist. Aufgrund dieser Beziehung folgt: ist die ausgeleuchtete Fläche A auf dem Ziel groß, dann ist Speckle-Zelle auf der Detektionsebene klein. Ist die ausgeleuchtete Fläche A auf dem Ziel klein, dann ist die Speckle-Zelle auf der Detektionsebene groß. Diese Beziehung kann für besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wichtig sein. Die Größe der Speckle-Zelle besitzt ebenso eine Abstandsabhängigkeit. Man kann zeigen, dass im Limit großer Entfernungen (z > 100 m ) die Speckle-Zelle sich einem bestimmten Wert nähert und sich nicht weiter über diesen hinaus vergrößert. Bei einer kollimierten Anordnung zum Beispiel kann die Speckle-Zelle nicht größer werden als der Strahldurchmesser an seiner Strahltaille.
Bevor hier weiter ausgeführt wird, soll noch kurz auf die Mixing efficiency und die effektive Empfangsfläche eingegangen werden. Die Mixing efficiency hat Werte zwischen 0 und 1 und gibt an, wie effizient die reale Systemapertur A_R für die Detektion ausgenutzt wird. Ein Wert von 0.1 beispielsweise heißt, dass nur 10% der zur Verfügung stehenden Systemaperturfläche überhaupt für die Detektion genutzt werden. Einen Wert von 1 erreicht man nur, wenn das zurückkommende Feld in Amplitude und Phase exakt dem Lokaloszillator gleicht. Dies ist somit bei rauen Oberflächen niemals möglich. Für die Beschreibung des SNR wird oft die effektive Empfangsfläche verwendet, die mit der Mixing efficiency über 〈m〉=A_eff/A_R. zusammenhängt. Dies wird durch die Beziehung in Gleichung 1 verdeutlicht. Dieser Ausdruck kann als eine modifizierte LiDAR-Gleichung angesehen werden. Nach dieser wird die wirksame Lichtleistung nicht über die komplette Systemapertur eingesammelt, sondern über die effektive Empfangsfläche A_eff, für die im Normalfall einer kollimierten Konfiguration gilt: A_eff≤A_R. Dies ist ein fundamentaler Gegensatz zu nicht kohärenten Detektionsmethoden, bei denen immer die echte Systemapertur in die LiDAR-Gleichung eingeht. Mit der effektiven Empfangsfläche hat man nun eine geeignete und intuitiv gut greifbare Größe, um die Systemperformance zu beeinflussen, da diese direkt proportional zum Signal-zu-Rausch-Verhältnis ist, siehe Gleichung 1.
Nach Gleichung 3 hängt die effektive Apertur über das Überlappintegral direkt mit der Speckle Korrelationsfunktion zusammen. Man kann also in erster Näherung feststellen: ist die ausgeleuchtete Fläche A auf dem Ziel groß, dann ist die effektive Empfangsapertur klein, da die mittlere Ausdehnung einer Speckle-Zelle klein ist. Ist die ausgeleuchtete Fläche A auf dem Ziel klein, dann ist die effektive Empfangsapertur groß, da die mittlere Ausdehnung einer Speckle-Zelle entsprechend groß ist.
Aufgrund der in Gleichung 5 enthaltenen z-Abhängigkeit steigt die Größe der Speckle-Zelle und damit die effektive Apertur mit steigendem z an. Dies gilt aber nur, wenn A in Gleichung 5 konstant bleibt. Aufgrund der natürlichen Divergenz eines Laserstrahls wird A aber mit zunehmendem Abstand größer, sodass dies wieder einen reduzierenden Effekt auf die Speckle-Zelle hat. Man kann zeigen, dass im Limit großer Entfernungen (z > 100 m) die Speckle-Zelle bzw. die effektive Apertur gegen einen bestimmten Wert geht und sich nicht weiter über diesen hinaus vergrößert. Bei einer kollimierten Anordnung zum Beispiel kann die Speckle-Zelle nicht größer werden als der Strahldurchmesser an seiner Strahltaille.
Insbesondere bei FMCW-LiDAR-Systemen wird üblicherweise ein kollimierter Strahl emittiert, dessen Parameter (insbesondere Strahltaille und Divergenzwinkel) fest sind und sich nicht ändern. Betrachtet man die Abhängigkeit des SNR von der Entfernung und der Strahlgröße, so ist zu erkennen, dass es kein globales Optimum für den Strahldurchmesser gibt. Für jede Entfernung gibt es einen Wert für die Strahlgröße, für den das SNR maximal wird. Für 200 m kann in Ausführungsformen beispielsweise ein Strahl mit einem Durchmesser von 2w₀=20 mm optimal sein.
Üblicherweise haben in einem LiDAR-System alle ausgehenden Strahlen die gleichen Parameter, d.h. Lichtstrahleigenschaften, hier findet keine Variation statt, da dies einen erheblichen Mehraufwand und höhere Kosten bedeuten würde. Man legt deshalb den Strahldurchmesser üblicherweise für alle Strahlen auf einen gewissen Wert fest (z.B. 2wo=15 mm) und nimmt dann bewusst in Kauf, dass das SNR streng genommen nur für einen Zielabstand optimal ist. In einem erläuternden Beispiel können nach dem Stand der Technik Strahlradien von 3 mm und 11 mm vorgesehen sein. Für Abstände zwischen dem LiDAR-System und dem Objekt bis 50 m liefert ein Strahlradius von 3 mm ein größeres Signal, für Abstände ab 50 m ist der größere Strahl mit Radius von 11 mm im Vorteil. Die Erfindung erlaubt dem LiDAR-System in Ausführungsformen, je nach Abstand eine angepasste Lichtstrahleigenschaft zu wählen, insbesondere einen angepassten Strahlradius, um das SNR, das an der Empfangseinheit erzielt wird, zu optimieren. Der Strahlradius kann insbesondere durch Anpassen einer Fokussierung des Lichtstrahls angepasst werden. Besonders bevorzugt ist daher, dass das LiDAR-System dafür eingerichtet ist, die Fokussierung der Lichtstrahlen in Abhängigkeit von dem Abstand des LiDAR-Systems zu dem Objekt anzupassen. Dies kann auf unterschiedlichen Wegen erreicht werden.
Das LiDAR-System ist vorzugsweise dafür eingerichtet, den Abstand zu dem Objekt aus Messdaten zu bestimmen, die unter Verwendung der ausgesendeten und wieder empfangenen Lichtstrahlen gewonnen werden. So kann eine Funktion des LiDAR-Systems selbst zur Abstandsermittlung genutzt werden und der Abstand muss nicht extern ermittelt werden. Insbesondere kann das LiDAR-System dafür eingerichtet sein, mittels der Sendeeinheit wiederholt Lichtstrahlen in die Umwelt auszusenden, also die Umwelt mit den Lichtstrahlen zu bestrahlen, um den Abstand des LiDAR-Systems zu dem Objekt zu bestimmen. Vorzugsweise wird der Abstand aus den Messdaten mittels Flugzeitmessungen bestimmt. Flugzeitmessungen können Laufzeitmessungen des Lichtstrahls zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit einschließen.
Einige Ausführungsformen sehen vor, dass die Sendeeinheit dafür eingerichtet ist, die Lichtstrahlen vor dem Aussenden in die Umwelt in Abhängigkeit von einem Abstand des LiDAR-Systems zu dem Objekt hinsichtlich mindestens einer Lichtstrahleigenschaft anzupassen, um ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis des zu empfangenden Lichtstrahls, das an der Empfangseinheit erzielt wird, zu optimieren. So kann das ausgesendete Licht mittels der Sendeeinheit des LiDAR-Systems geeignet angepasst werden, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu optimieren. Die Sendeinheit kann als ein Chip ausgeführt sein, insbesondere als ein OPA-Chip. Die Empfangseinheit kann als ein weiterer Chip ausgeführt sein, insbesondere als ein weiterer OPA-Chip.
Bevorzugt ist, dass das LiDAR-System dafür eingerichtet ist, zunächst den Abstand zu dem Objekt zu bestimmen und anschließend das Signal-zu-Rausch-Verhältnis basierend auf dem bestimmten Abstand zu optimieren. So kann beispielsweise durch das LiDAR-System mit Vorteil auf Erfahrungswerte für die Lichtstrahleigenschaft zurückgegriffen werden, die für gewisse Abstände bereits früher ein optimales Signal-zu-Rausch-Verhältnis erzeugt haben.
Die Sendeeinheit umfasst vorzugsweise eine Optikanordnung, die ein oder mehrere optisch wirksame Bauteile aufweist, um die Lichtstrahleigenschaft in Abhängigkeit von dem Abstand zu verändern. So kann die Lichtstrahleigenschaft durch optisch wirksame Bauteile verändert werden und es wird keine Veränderung an der Lichtquelle oder den Lichtquellen des LiDAR-Systems erforderlich. Auf eine Regelung einer Sendeleistung der Lichtquelle in Abhängigkeit von dem Abstand kann somit beispielsweise verzichtet werden.
Das LiDAR-System kann in Ausführungsformen ein optisches Phasenarray-System einschließen, das die Sendeeinheit einschließt, die die Optikanordnung umfasst, die dafür eingerichtet ist, eine Fokussierung als Lichtstrahleigenschaft in Abhängigkeit von dem Abstand zu verändern. Das optische Phasenarray-System ist ein bevorzugtes optisch wirksames Bauteil. Das OPA-System kann durch die Sendeeinheit und die Empfangseinheit gebildet sein, sofern diese jeweils als OPA ausgebildet sind. Ein OPA-basiertes LiDAR-System kann einen Performancevorteil bringen, da die Phasenfront des Lichtstrahls durch eine geschickte Ansteuerung der Phasenlagen an den Antennen beliebig geformt werden kann. Im kollimierten Modus ist zwar auch hier der Strahldurchmesser fix und bestimmt durch die Größe der Sendeapertur, allerdings kann durch Modifikation der Phasenfronten in besonderen Ausführungsformen ein sogenannter Fokusmodus, auch fokussierter Modus genannt, eingestellt werden, bei dem der Lichtstrahl auf eine definierte Distanz fokussiert wird. Die Distanz kann, muss aber nicht mit dem Abstand zu dem Objekt identisch sein. Die Distanz kann insbesondere auch kürzer oder länger als der Abstand sein. Im Fokusmodus besitzt der Strahldurchmesser auf dem Ziel bzw. Objekt mit Vorteil eine sehr geringe Ausdehnung. Nach den obigen Ausführungen bedeutet dies, dass die effektive Empfangsapertur damit erheblich vergrößert und somit die Systemperformance für den gewählten Zielabstand verbessert werden kann. Zusammen mit den vorhergehenden Überlegungen kann man feststellen:

a. Eine Fokussierung bringt dann einen signifikanten Vorteil, wenn die Strahltaille auf dem Ziel möglichst klein ist, d.h. insbesondere im Bereich einiger Millimeter. Im Vergleich zum kollimierten Modus kann eine Verbesserung des SNR erreicht werden. Die genaue Höhe der Verbesserung hängt vom Gesamtsystem ab, insbesondere von der Ausdehnung der Lokaloszillator-Mode und der Gesamtapertur.
b. Eine Verbesserung des SNR gilt nur für den ausgewählten Zielabstand. Zu den Seiten hin fällt die SNR-Kurve umso steiler ab, je stärker auf den Zielabstand fokussiert wird. Der Zielabstand kann der Abstand zu dem Objekt sein.
c. Die Lokaloszillator-Mode sollte für den gewählten Zielabstand größer sein, als die effektive Empfangsfläche im kollimierten Fall wäre. Hintergrund ist, dass bei einer Fokussierung die effektive Empfangsapertur teilweise viel größer wird als im kollimierten Modus. Ist die effektive Apertur im kollimierten Modus bereits ähnlich groß wie der Lokaloszillator, ist der Spielraum, der zur Vergrößerung der effektiven Apertur bleibt, recht gering. Denn die effektive Empfangsapertur kann im Grenzfall nie größer werden als die Lokaloszillatormode, da Letztere den Integrationsbereich des Überlappintegrals begrenzt.

Es sei angemerkt, dass bei momentan technisch relevanten OPAs die Phasenänderung lediglich in eine Richtung wirksam ist. D.h.,dass der Strahl im klassischen Sinne durch Phasenänderungen nur in eine Richtung abgelenkt werden kann, die andere Richtung wird vorzugsweise über eine Wellenlängenänderung und diffraktive Gitterkoppler adressiert. Einen reinen 2D-OPA, der beide Richtungen mittels Phasenschieber adressiert, ist aufgrund des hohen Aufwandes für die Ansteuerung sehr komplex. Dies bedeutet ebenfalls, dass eine Fokussierung mittels Phasenschiebern mit verhältnismäßigem Aufwand auch nur in einer Richtung wirksam ist. Die andere Richtung bleibt nach wie vor kollimiert. Für dieses Verhalten soll hier der Begriff „astigmatische Fokussierung“ verwendet werden. Als Ergebnis würde dies eine schmale Linie und keinen einzelnen Spot auf dem Objekt zur Folge haben. Die astigmatische Fokussierung führt trotz der Einschränkungen ebenso zu einer Vergrößerung der effektiven Apertur, zumindest in einer Richtung, was ebenfalls ein erhöhtes SNR bewirken würde.
Die Optikanordnung schließt in manchen Ausführungsformen ein oder mehrere diskrete optische Elemente ein, die dafür eingerichtet sind, eine Fokussierung als Lichtstrahleigenschaft in Abhängigkeit von dem Abstand zu verändern. Die diskreten optischen Elemente sind ebenfalls bevorzugte optisch wirksame Bauteile. Es ist nämlich ebenfalls denkbar, traditionelle Konfigurationen mit strahlformenden Optiken, insbesondere optischen Linsen, zu nutzen. Strahlformende Optiken sind also bevorzugte diskrete optische Elemente. Dabei wird vorzugsweise ein strahlformendes Objektiv, das eine oder auch mehrere Linsen aufweisen kann, variabel gestaltet in der Art, dass es eine Veränderung der Brennweite erlaubt, vorzugsweise durch den Einsatz von Flüssiglinsen. So kann vorzugsweise der Fokuspunkt der optischen Linsen in Abhängigkeit von dem Abstand zu dem Objekt angepasst werden. Auch andere Arten von optischen Linsen, deren Fokuspunkt einstellbar ist, sind in Ausführungsformen vorgesehen, sodass die Erfindung nicht auf Flüssiglinsen beschränkt ist. Die Nutzung von solchen diskreten optischen Elementen anstelle von OPAs kann vergleichsweise einfacher hinsichtlich der Herstellung des LiDAR-Systems sein.
Auch ein Einsatz von SLMs (spatial light modulators, dt. räumlichen Lichtmodulatoren) in Transmission und in Reflexion sowohl zur Strahlformung als auch zur Strahlablenkung ist in manchen Ausführungsformen vorgesehen. Ebenso ist der Einsatz von Liquid Crystal Meta Surfaces (LCMs, dt. Flüssigkristall-Metaoberflächen) in manchen Ausführungsformen vorgesehen, welche einstellbare 1-D Sub-Wellenlängen Reflexionsgitter sein können. Ein LCM kann ähnlich wie ein OPA durch Phasenänderungen / Manipulation der Brechungsindices der Flüssigkristallzellen den Strahl in einer Richtung ablenken und vorzugsweise fokussieren. 2-D Ablenkungen sind ähnlich wie bei OPAs aufgrund der Komplexität sehr aufwändig. Im Falle von SLMs oder LCMs wäre eine Kombination mit klassischen Linsenobjektiven vorteilhaft. SLMs und LCMs sind ebenfalls bevorzugte optisch wirksame Bauteile und diskrete optische Elemente. Dabei kann vorzugsweise der SLM die fokussierende Funktion erfüllen, während das Objektiv, das insbesondere die optische Linse enthält, die Kollimation der aus dem Chip austretenden divergenten Laserstrahlen vornimmt. Die Optikanordnung umfasst also vorzugsweise ein fokussierendes optisches Element und ein kollimierendes optisches Element, wobei das kollimierende optische Element vorzugsweise dem fokussierenden optischen Element im Strahlengang der Sendeeinheit vorgelagert ist. Im Fall von optischen Linsen und LCMs könnte die optische Linse dafür eingerichtet sein, die grundlegende Strahlformung, d.h. Kollimation zu übernehmen, während der LCM dafür eingerichtet ist, den Strahl zu fokussieren und in einer ersten Richtung abzulenken. Danach kann vorzugsweise zum Ablenken in eine zweite Richtung noch ein Spiegel in der Optikanordnung folgen. Der Spiegel kann entfallen, wenn der LCM dafür eingerichtet ist, den Strahl in beide Richtungen abzulenken.
Bevorzugt ist, dass das LiDAR-System eine Datenbank einschließt, die eine Vielzahl von Abständen zu dem Objekt zugeordnet zu entsprechenden Einstellungen der Optikanordnung aufweist, um dem LiDAR-System zu ermöglichen, die Optikanordnung derart automatisch einzustellen, dass die Lichtstrahleigenschaft in Übereinstimmung mit dem Abstand verändert wird, sobald der Abstand bestimmt ist. So kann ohne Einwirken eines Benutzers die passende Lichtstrahleigenschaft, insbesondere die passende Fokussierung, eingestellt werden. Außerdem liegen die Daten lokal im LiDAR-System vor und müssen nicht von extern zugeführt werden. Beides vereinfacht die Nutzung des LiDAR-Systems. Die Datenbank kann in einem Datenspeicher des LiDAR-Systems abgelegt sein. Die Datenbank kann als Nachschlagetabelle konfiguriert sein. Die Einträge der Nachschlagetabelle können werkseitig in dem LiDAR-System abgelegt sein. Das LiDAR-System kann eine Steuereinheit aufweisen oder mit einer solchen verbindbar sein, um den bestimmten Abstand in der Datenbank nachzuschlagen und die entsprechenden Einstellungen, die in der Datenbank dem bestimmten Abstand zugeordnet sind, automatisch auf die optisch wirksamen Bauteile anzuwenden. Das LiDAR-System kann entsprechenden Computerprogrammcode aufweisen, beispielsweise in dem Datenspeicher. Die Steuereinheit kann dafür eingerichtet sein, den Computerprogrammcode auszuführen, beispielsweise mittels eines Mikroprozessors, der dafür eingerichtet ist, den Datenspeicher auszulesen.
Das LiDAR-System kann in Einkanal-Konfiguration eingerichtet sein. In manchen Ausführungsformen ist das LiDAR-System jedoch in Mehrkanal-Konfiguration eingerichtet, d.h. mit parallelisierten Systemen, eingerichtet. Im ersten Fall kann eine besonders kompakte Bauform erreicht werden. Im zweiten Fall kann ein größerer Bereich der Umwelt in kürzerer Zeit durch die Lichtstrahlen bestrahlt werden. Im Falle des OPAs kann vorgesehen sein, dass vorzugsweise mehrere Lichtquellen, insbesondere Laser, unterschiedlicher Wellenlänge auf ein Sende-OPA geführt werden. Die Detektion kann mit mindestens einem Empfangs-OPA erfolgen (erster bi-axialer Fall). Pro Lichtquelle wird in anderen Ausführungsformen vorzugsweise ein Sende-OPA verwendet. Der Empfang erfolgt auch dann vorzugsweise mit mindestens einem Empfangs-OPA (zweiter bi-axialer Fall). Wieder andere Ausführungsformen sehen das Gleiche wie oben vor, nur keine separaten Empfangs-OPAs, sondern Empfang durch denselben oder die mehreren Sende-OPAs (mono-axiale Konfiguration). Im Falle diskreter optischer Elemente ist in Ausführungsformen vorgesehen, dass alle ausgehenden Strahlen durch dasselbe Sendeobjektiv verlaufen und auf denselben SLM / LCM auftreffen (z.B. für Focal plane array - Ansätze). Andere Ausführungsformen mit diskreten optischen Elementen sehen vor, dass jeder Strahl von seinem eigenen Objektiv / SLM / LCM geformt wird, der dem jeweiligen Strahl zugeordnet ist. So können entweder mehrere Strahlen sich ein Objektiv und/oder einen SLM / LCM teilen, was einen kompakten Aufbau ermöglicht, oder aber jeder Strahl hat ein eigenes Objektiv und/oder SLM / LCM, das ihm zugeordnet ist, wodurch sich die optischen Eigenschaften jedes Objektivs für jeden Strahl unterscheiden können, was eine flexiblere Anpassung der Lichtstrahleigenschaften pro Lichtstrahl ermöglicht. Auch ist das oben Genannte in bi-axialer Konfiguration realisierbar. Der Unterschied wäre hier, dass die LO-Mode nicht sendeseitig, sondern empfangsseitig festgelegt wird, d.h. nicht mit dem ausgehenden Strahl verknüpft ist. Dieses lässt mehr Gestaltungsspielraum für den Vergrößerungsspielraum zu. Das Problem der Speckle-Effekte lässt sich z.B. durch Mittelungen der Betragsspektra von mehreren Empfängern in den Griff bekommen. Daher sehen manche Ausführungsformen vor, dass das LiDAR-System dafür eingerichtet ist, eine Mittelung über Betragsspektra mehrerer Empfänger des LiDAR-Systems zu bilden. Dies kann durch den Mikroprozessor erfolgen.
Vorzugsweise umfasst das LiDAR-System ein optisches System, das das optische Phasenarray aufweist. Das optische Phasenarray kann dafür eingerichtet sein, wechselnde Intensitäten von mehreren Speckle-Realisationen zu erzeugen. Das optische System kann vorsehen, dass eine Phasenlage einer Antennenanordnung des optischen Phasenarrays änderbar eingerichtet ist, um die mehreren Speckle-Realisationen zu erzeugen. Das optische System kann vorsehen, dass das optische Phasenarray dafür eingerichtet ist, eine Änderung der Phasenlage sinusförmig, sägezahnförmig oder stufenförmig durchzuführen. In Ausführungsformen ist das optische System dafür eingerichtet, für die Dauer einer jeweiligen Messung einen festen Ablenkwinkel der Antennenanordnung einzustellen, sodass jeder Messung genau ein Ablenkwinkel zugeordnet ist, um jeweils eine zugeordnete Intensität der Speckle-Realisation der jeweiligen Messung zu erzeugen. Das optische Phasenarray kann eine Wellenfront-Steuereinrichtung aufweisen, um die Ablenkwinkel einzustellen. Die Wellenfront-Steuereinrichtung kann mehrere Phasenschieber enthalten, um die Ablenkwinkel einzustellen. Die Phasenschieber sind vorzugsweise dafür eingerichtet, die Ablenkwinkel von Sendeantennen und/oder Empfangsantennen der Antennenanordnung einzustellen. Das optische System ist in einigen Ausführungsformen dafür eingerichtet, eine Mittelung der empfangenen Intensitäten durchzuführen. Das LiDAR-System kann insbesondere ein kohärentes LiDAR-System sein.
Insbesondere hinsichtlich möglicher Ausgestaltungen des optischen Systems und deren Vorteile wird an dieser Stelle auf die Patentanmeldung DE 10 2021 201 499.2 Bezug genommen, deren Offenbarung hiermit durch Verweis vollständig in die hier vorliegende Beschreibung aufgenommen ist.
Mit Durchmesser des Strahls bzw. Strahldurchmesser ist im Rahmen der vorliegenden Anmeldung der Durchmesser an der Strahltaille gemeint, nicht die Größe des Beleuchtungsfleckes auf dem Objekt. Im kollimierten Modus würde die Strahltaille z.B. genau auf einer Sendeebene liegen (z.B. da, wo sich die Auskoppeloptik, die durch die diskreten optischen Elemente gebildet sein kann, oder das OPA befindet).
Erfindungsgemäß wird weiter ein Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Systems zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren von der eingangs genannten Art ist, bei dem ein Schritt eines Anpassens eines nachfolgenden Lichtstrahls vor dem Aussenden in die Umwelt in Abhängigkeit von dem Abstand hinsichtlich mindestens einer Lichtstrahleigenschaft durch die Sendeeinheit vorgesehen ist. So wird ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis des zu empfangenden nachfolgenden Lichtstrahls, das an der Empfangseinheit erzielt wird, optimiert.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass die Signalqualität an der Empfangseinheit für den nachfolgenden Lichtstrahl verbessert wird. Dadurch wird eine verbesserte Funktion des LiDAR-Systems gegenüber dem Stand der Technik erreicht. Es kann sich dabei um ein LiDAR-System der voranstehend beschriebenen Art handeln, das die oben genannten Ausführungsformen und deren Vorteile einschließen kann. Auf Wiederholungen dieser Ausführungsformen und Vorteile wird an dieser Stelle verzichtet.
Das Anpassen kann vorzugsweise ein Fokussieren des nachfolgenden Lichtstrahls durch die Sendeeinheit in Abhängigkeit von dem bestimmten Abstand umfassen. Eine bevorzugt anzupassende Lichtstrahleigenschaft ist also die Fokussierung des Lichtstrahls. Fokussierung kann bedeuten, dass der Lichtstrahl in einer gewissen Entfernung vom LiDAR-System einen kleinsten Durchmesser aufweist, der auch als Strahltaille bezeichnet wird. Dort kann eine Strahlintensität des Lichtstrahls maximal sein. Es hat sich gezeigt, dass durch geeignetes Fokussieren des Lichtstrahls in Abhängigkeit von dem bestimmten Abstand ein besonderes gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis erreichbar ist, wie es aus LiDAR-Systemen mit festem Fokus nicht bekannt ist bzw. nur für die genau definierte Entfernung, die dem festen Fokus entspricht. Mit anderen Worten, die Entfernung zwischen LiDAR-System und Strahltaille des Lichtstrahls kann in manchen Ausführungsformen in Abhängigkeit von dem Abstand des LiDAR-Systems zu dem Objekt angepasst werden. Die Strahltaille des Lichtstrahls kann in Ausführungsformen durch das LiDAR-System näher an das LiDAR-System herangerückt werden oder weiter von dem LiDAR-System entfernt werden, in Abhängigkeit von dem Abstand des LiDAR-Systems zu dem Objekt. So kann das SNR an der Empfangseinheit optimiert werden. Bevorzugt ist, dass die Strahltaille durch das LiDAR-System in eine Entfernung gerückt wird, die gleich dem bestimmten Abstand des LiDAR-Systems zu dem Objekt ist.
Das Anpassen kann weiter ein Abrufen von Einstellungen aus einer Datenbank des LiDAR-Systems durch das LiDAR-System umfassen, um die Lichtstrahleigenschaft des nachfolgenden Lichtstrahls automatisch in Abhängigkeit von dem bestimmten Abstand anzupassen, dem in der Datenbank entsprechende Einstellungen für die Lichtstrahleigenschaft zugeordnet sind. So können manuelle Eingriffe, insbesondere durch einen Benutzer des LiDAR-Systems, entfallen, wodurch die Nutzung des LiDAR-Systems vereinfacht wird. Die Datenbank kann insbesondere eine Datenzuordnung enthalten, in welcher Entfernung vom LiDAR-System sich für einen gewissen Abstand zu dem Objekt die Strahltaille des Lichtstrahls im Optimalfall befinden sollte, sodass das SNR optimiert ist. Optimiert kann bedeuten, ein maximal großes SNR verglichen mit dem erreichbaren SNR für alle anderen möglichen Einstellungen der Lichtstrahleigenschaft zu erreichen.
Weitere vorteilhafte Verfahrensschritte können sich aus den möglichen Ausführungsformen des LiDAR-Systems ergeben, wie sie oben beschrieben sind und auf die hiermit verweisen wird. Alle Verfahrensschritte können in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden. In Ausführungsformen kann jedoch eine abweichende Reihenfolge gewählt werden, sofern noch der gewünschte Effekt erreicht wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch ein LiDAR-System nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 schematisch einen Ausschnitt des LiDAR-Systems aus 1 mit Tx und Rx-Aperturen,
3 schematisch eine Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels,
4 schematisch eine Sende- und Empfangskonfiguration des LiDAR-Systems nach der Erfindung,
5 schematisch eine weitere Sende- und Empfangskonfiguration des LiDAR-Systems nach der Erfindung,
6 schematisch noch eine weitere Sende- und Empfangskonfiguration des LiDAR-Systems nach der Erfindung,
7 schematisch ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Optikanordnung ein diskretes optisches Element einschließt, in einem kollimierten Modus,
8 schematisch ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Optikanordnung ein diskretes optisches Element einschließt, in einem fokussierten Modus,
9 ein Ausführungsbeispiel, das zwei Lichtquellen einschließt,
10 ein Ausführungsbeispiel mit Parallelisierung über mehrere Einzelobjektive,
11 ein Verfahren nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und,
12 ein Diagramm, das das SNR in Abhängigkeit vom Abstand zum Objekt für unterschiedliche Modi des LiDAR-Systems veranschaulicht.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist schematisch ein LiDAR-System 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt, das eine Sendeeinheit 2 und eine Empfangseinheit 3 aufweist. Die Sendeeinheit 2 und die Empfangseinheit 3 sind jeweils Chips. Die Sendeeinheit 2 ist dafür eingerichtet, einen oder mehrere Lichtstrahlen in eine Umwelt auszusenden. Die Empfangseinheit 3 ist dafür eingerichtet, den einen oder die mehreren Lichtstrahlen zu empfangen, nachdem sie in der Umwelt an einem Objekt 4 reflektiert wurden. Das LiDAR-System 1 ist beispielhaft ein Automotive-LiDAR-System 1. Das Objekt 4 kann daher insbesondere ein Tier, eine Person oder ein Gegenstand, wie beispielsweise ein Kraftfahrzeug oder eine Wand, sein. Klar ist, dass das Objekt 4 nicht Teil des LiDAR-Systems 1 ist, sondern extern zu diesem, also Teil der Umwelt.
In 1 ist schematisch das LiDAR-System 1 gezeigt, das ein optisches System 5 mit einem optischen Phasenarray-System 6 (kurz OPA-System 6) aufweist. Das optische System 5 ist in einer integrierten optischen Schaltung verwirklicht. Veranschaulicht ist damit der grundsätzliche Aufbau eines kohärenten Detektionssystems auf Basis des OPA-Systems 6, das die Sendeeinheit 2 und die Empfangseinheit 3 umfasst. Das optische System 5 schließt eine Laserquelle 7a, ein erstes Verteilnetzwerk 8, eine Sendeapertur (auch Tx-Apertur genannt) als Sendeeinheit 2, ein zweites Verteilnetzwerk 9, eine Empfangsapertur (auch RX-Apertur genannt) als Empfangseinheit 3, einen Koppler 10, der ein 50:50-Kombinierer ist und dafür eingerichtet ist, ein Signal eines Lokaloszillators (kurz LO) mit einem Empfangssignal zu mischen, und eine Detektionseinheit 11 ein. Die Sendeeinheit 2 und die Empfangseinheit 3 umfassen eine Antennenanordnung des OPA-Systems 6. Das erste Verteilnetzwerk 8 und das zweite Verteilnetzwerk 9 weisen jeweils eine Vielzahl von Phasenschiebern (nicht gezeigt) auf. Das erste Verteilnetzwerk 8 und das zweite Verteilnetzwerk 9 sind Wellenfront-Steuereinrichtungen.
Das optische System 5 weist Lichtwellenleiter 12 auf, die die Laserquelle 7a optisch mit dem ersten Verteilnetzwerk 8 und, über einen Abzweigungspunkt 13 der vor dem ersten Verteilnetzwerk 8 angeordnet ist, mit dem Koppler 10 verbindet. Das erste Verteilnetzwerk 8 ist über eine Vielzahl erster optischer Leiter 14 mit der Sendeeinheit 2 verbunden. Die Sendeeinheit 2 ist dafür eingerichtet, das von der Laserquelle 7a kommende Licht in eine Umwelt des LiDAR-Systems 1 auszusenden, um die Umwelt mit dem Licht zu bestrahlen, beispielsweise die Umwelt mit dem Licht abzutasten. Die Empfangseinheit 3 ist dafür eingerichtet, das in der Umwelt reflektierte Licht zu empfangen. Die Empfangseinheit 3 ist mit einer Vielzahl zweiter optischer Leiter 15 verbunden, um das aus der Umwelt empfangene Licht zum zweiten Verteilnetzwerk 9 zu leiten. Das zweite Verteilnetzwerk 9 ist über den Koppler 10 mit dem Lokaloszillator verbunden. Der Koppler 10 ist dafür eingerichtet, das von der Laserquelle 7a abgezweigte Licht (d.h. den Lokaloszillator) und das aus der Umwelt empfangene Licht zu mischen und ein so gemischtes Signal an die Detektionseinheit 11 weiterzuleiten. Die Detektionseinheit 11 ist beispielhaft ein Photodetektor. Mit anderen Worten, ein erster Teil des Lichtes wird in der Sendeeinheit 2 emittiert, von der Empfangseinheit 3 aufgefangen und im Koppler 10 mit einem zweiten Teil, der in der optischen Schaltung verblieben ist, gemischt. In der Detektionseinheit 11 wird eine Differenzfrequenz (sog. Beating-Frequenz als Signal) durch das LiDAR-System 1 gemessen. Da das Senden und das Empfangen über zwei verschiedene optische Pfade stattfindet, also über voneinander separate Sendeeinheiten 2 und Empfangseinheiten 3, nennt man die in 1 dargestellte Architektur biaxial. In einem hier nicht gezeigten Spezialfall kann die Architektur des LiDAR-Systems 1 jedoch derart ausgelegt sein, dass die Sendeeinheit 2 gleichzeitig als Empfangseinheit 3 dient. Dieser hier nicht gezeigte Fall wird monoaxial genannt. Die Erfindung kann sowohl für die monoaxiale als auch für die biaxiale Architektur des OPAs 6 eingesetzt werden. Es ist klar, dass durch einen weiteren optischen Abzweig der Lichtwellenleiter 12, beispielsweise am Abzweigungspunkt 13, weitere Sendeeinheiten 2 vorgesehen sein können und ebenso weitere Empfangseinheiten 3 mit dem Koppler 10 verbunden sein können. Ebenso ist es möglich, dass weitere Sendeinheiten jeweils durch einen eigenen Laser (bei leicht anderer Wellenlänge) gespeist werden, der Empfang nach wie vor aber nur mit einer Empfangseinheit 3 passiert. Im Empfangspfad müssten die Wellenlängen dann via Wellenlängen-Demultiplexing wieder getrennt werden. Jede Wellenlänge hätte dann nach dem Demultiplexer einen eigenen Empfangspfad, in dem das Licht mit dem richtigen LO gemischt und von einer Detektionseinheit detektiert wird. So kann ein parallel aufgebautes System bereitgestellt sein, das mehrere Lichtstrahlen im Wesentlichen zeitgleich in die Umwelt sendet und aus ihr empfängt. Da dies einfach zu verstehen ist, sind solche Weiterentwicklungen des optischen Systems 5 hier nicht gezeigt, sollen aber mitgelesen werden. Siehe hierzu auch die 4, 5 und 6 und deren weiter unten folgende Beschreibung.
Sowohl die Sendeeinheit 2 als auch die Empfangseinheit 3 sind, wie dargestellt, in diesem Ausführungsbeispiel jeweils mit einem Verteilnetzwerk 8, 9 verbunden, das Phasenschieber (nicht gezeigt) einschließt. Zum primären Zweck werden in der Tx-Apertur 2 Wellenfronten 16 über die Phasenschieber definiert eingestellt, um den emittierten Lichtstrahl in einen bestimmten Raumwinkel abzustrahlen. Als zweiter Zweck kann darüber hinaus eine Fokussierung des Strahls vorgenommen werden, wie noch beschrieben wird. Die Sendeeinheit 2 umfasst nämlich eine Optikanordnung, die mehrere optisch wirksame Bauteile aufweist, um die Lichtstrahleigenschaft in Abhängigkeit von dem Abstand d zu verändern.
Weiter umfasst das LiDAR-System 1 einen Mikroprozessor 17 und einen Datenspeicher 18, der eine Datenbank enthält. Der Mikroprozessor 17 ist dafür eingerichtet, die Datenbank auszulesen. Weiter ist der Mikroprozessor 17 dafür eingerichtet, die Sendeeinheit 2 und die Empfangseinheit 3 zu steuern. Das Steuern kann basierend auf Daten aus der Datenbank erfolgen. Die Datenbank weist eine Vielzahl von Abständen d zu dem Objekt zugeordnet zu entsprechenden Einstellungen der Optikanordnung auf, um dem LiDAR-System 1 zu ermöglichen, die Optikanordnung derart automatisch einzustellen, dass die Lichtstrahleigenschaft in Übereinstimmung mit dem Abstand d verändert wird, sobald der Abstand d bestimmt ist. Das LiDAR-System 1 ist somit dafür eingerichtet, die Lichtstrahlen vor dem Aussenden in die Umwelt in Abhängigkeit von einem Abstand d des LiDAR-Systems 1 zu dem Objekt 4 hinsichtlich mindestens einer Lichtstrahleigenschaft anzupassen, um ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis des zu empfangenden Lichtstrahls, das an der Empfangseinheit 3 erzielt wird, zu optimieren. Dazu erfolgt in dieser Ausführungsform vor dem Abstrahlen des Lichtstrahls in die Umwelt eine Fokussierung des Lichtstrahls basierend auf den Daten in der Datenbank, wobei die Fokussierung vom Abstand d von dem Objekt 4 abhängig ist. Der gegenwärtige Abstand d kann in einer ersten Messung durch das LiDAR-System 1 ermittelt werden. Danach wird dann die Fokussierung eingeleitet. Der Mikroprozessor 17 ist hier beispielhaft dafür eingerichtet, aus einer gemessenen Schwebungsfrequenz den Abstand d zu berechnen. Optimieren bedeutet hier beispielhaft, ein maximal großes SNR zu erhalten, verglichen mit den SNR, die mit allen anderen möglichen Einstellungen für die Fokussierung erreichbar sind. Vorgesehen ist hier also, dass das LiDAR-System 1 dafür eingerichtet ist, eine Abstandsmessung vorzunehmen, damit der Abstand d zum Objekt 4 bekannt ist.
2 zeigt die Sendeeinheit 2 und die Empfangseinheit 3 aus 1 in einem Querschnitt. Zum primären Zweck werden in der Sendeeinheit 2 Wellenfronten 16 über die Phasenschieber definiert eingestellt, um den emittierten Lichtstrahl in einen vorgegebenen Raumwinkel in die Umwelt des LiDAR-Systems 1 abzustrahlen. Als zweiter Zweck kann darüber hinaus, insbesondere durch Kalibration des OPA-Systems 6 bzw. der Ablenkeinheit eine Fokussierung des Lichtstrahls vorgenommen werden, wie in 2 gezeigt. Die Fokussierung ist eine besondere Lichtstrahleigenschaft. Der Lichtstrahl wird von der Sendeeinheit 2 unter einem vorgegebenen Raumwinkel und mit einer vorgegebenen, aber in dieser Ausführungsform in Abhängigkeit vom Abstand d anpassbaren Fokussierung in die Umwelt ausgesendet. In der Umwelt trifft der Lichtstrahl auf das Objekt 4, außerhalb des LiDAR-Systems 1. Das Objekt 4 reflektiert den Lichtstrahl und der reflektierte Lichtstrahl trifft auf die Empfangseinheit 3. Das LiDAR-System 1 schließt also das OPA-System 6 ein, das die Sendeeinheit 2 einschließt, die eine Optikanordnung umfasst, die dafür eingerichtet ist, die Fokussierung als Lichtstrahleigenschaft in Abhängigkeit von dem Abstand d zu verändern.
Wie in 3 zu sehen ist, die die Sendeeinheit 2 im Detail zeigt, umfasst die Sendeeinheit 2 eine Vielzahl von Sendeantennen 19. 3 veranschaulicht, wie per Phasenkontrolle in der Sendeeinheit 2 der Strahl in eine bestimmte Richtung abgelenkt und die abgestrahlte Wellenfront 16 geformt werden kann, um vorzugsweise den Strahl zu fokussieren. Die Empfangseinheit 3, die hier nicht im Detail gezeigt ist, ist entsprechend aus einer Vielzahl von Empfangsantennen gebildet. Die Sendeantennen 19 sind dafür eingerichtet, die Wellenfronten 16 zu erzeugen. Die Phasendefinition der Sendeantennen 19 ist über die Phasenschieber des ersten Verteilnetzwerks 8 einstellbar eingerichtet. So kann die Fokussierung durch die Einstellung der Wellenfronten 16 über Phasenlagen der Sendeantennen 19 festgelegt werden. Die Phasenprofile sind anschaulich mit kleinen Dreiecken skizziert. Der Lichtstrahl, der durch alle Sendeantennen 19 gemeinsam erzeugt wird, wird somit vorzugsweise auf das Objekt 4 fokussiert. Veranschaulicht ist hier also mit anderen Worten die Fokussierung durch die Einstellung der Wellenfronten 16 über die Phasenlage in den Sendeantennen 19.
3 veranschaulicht somit schematisch eine Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels aus 1, wie per Phasenkontrolle bzw. Phasendefinition mittels der Phasenschieber in der Tx-Apertur, also der Sendeeinheit 2 des OPA-Systems 6, die abgestrahlte Wellenfront 16 in eine festlegbare Richtung abgelenkt und zudem geformt werden kann, um den Strahl zu fokussieren. Das LiDAR-System 1 schließt zu diesem Zweck das optische Phasenarray-System 6 ein, das dafür eingerichtet ist, eine Fokussierung als Lichtstrahleigenschaft in Abhängigkeit von dem Abstand d zu verändern. In dieser Ausführungsformen ist somit vorgesehen, die Wellenfront-Kontrollmöglichkeiten über die Phasenschieber zu nutzen, um den sich formenden Strahl auf einen bestimmten Objektabstand d zu fokussieren, was für den ausgewählten Abstand d eine erhebliche Verbesserung des SNRs zur Folge hat. Hierbei wird die Phasenlage der gesendeten (und / oder empfangenen) Wellenfronten 16 vorzugsweise so verändert, dass die Position der Strahltaille an den definierten Objektabstand verschoben wird und ausreichend klein ist. Das OPA-System 6 ist weiter dafür eingerichtet, wechselnde Speckle-Realisationen zu erzeugen. Hierbei kann die Phasenlage der gesendeten (und / oder empfangenen) Wellenfronten 16 zeitlich verändert werden, während die Phasenschieber einen festen Raumwinkel in der Umwelt anvisieren. Im Resultat werden leicht unterschiedliche Speckle-Realisationen generiert, sodass für die Dauer der festen Winkeleinstellung die verschiedenen Speckle-Realisationen gemittelt werden. Die Frequenz und gegebenenfalls die Amplitude der zeitlichen Änderungen werden durch die Grenzfrequenzen der Phasenschieber limitiert. Die zeitliche Variation kann je nach Ausführungsform sinusförmig, sägezahnförmig oder stufenförmig erfolgen.
Eine Mittelung über verschiedene Speckle-Realisationen hat ebenfalls eine Verbesserung des Signals zur Folge.
Die 4, 5 und 6 zeigen schematisch unterschiedliche Sende- und Empfangskonfigurationen für den Fall einer Nutzung des OPA-Systems 6. 4 nutzt einen oder auch mehrere Laser unterschiedlicher Wellenlängen, hier λ₁, λ₂ und λ₃. Diese werden von einer einzigen Sendeeinheit 2 abgestrahlt und fokussiert und von derselben Sendeeinheit 2 des OPA-Systems 6 wieder empfangen, die auch als Empfangseinheit 3 dient. 5 zeigt eine Parallelisierung mit zwei Sendeeinheiten, welche jeweils einen Kanal (d.h. eine Wellenlänge) abstrahlen und einen Empfang aller Wellenlängen mit mindestens einer Empfangseinheit 3. Alternativ kann auch je eine Empfangseinheit 3 des OPAs 6 für eine Wellenlänge zuständig sein. Die Gesamtzahl an Empfangseinheiten 3 wäre dann in einem Beispiel mit zwei Wellenlängen dann zwei. 6 zeigt eine Parallelisierung mit einer einzigen Sendeeinheit 2, welche drei Wellenlängen abstrahlt und den Empfang aller Wellenlängen mit multiplen Empfangseinheiten 3, wobei jede Empfangseinheit 3 alle drei Wellenlängen empfängt. Es ist klar, dass diese drei Konfigurationen beispielsweise in der integrierten optischen Schaltung aus 1 realisiert sein können, ohne dass dies hier im Einzelnen jeweils veranschaulicht wäre. Alle Sendeeinheiten 2 und Empfangseinheiten 3 der 5 und 6 können nebeneinander angeordnet verwirklicht sein, wie es in 1 für eine einzige Sendeeinheit 2 und eine einzige Empfangseinheit 3 veranschaulicht ist. Für den Empfangspfad sind ebenso Konfigurationen möglich, in denen jede abgestrahlte Wellenlänge nur von je einem Empfangs-OPA 3 des OPA-Systems 6 empfangen wird. Dieses erfordert dann immer dieselbe Anzahl an Empfangs-OPAs 3 wie es Wellenlängen gibt.
7 und 8 zeigen schematisch, dass in einer anderen Ausführungsform die Optikanordnung ein diskretes optisches Element 20a einschließt, das dafür eingerichtet ist, die Fokussierung als Lichtstrahleigenschaft in Abhängigkeit von dem Abstand d zum Ziel zu verändern. In Ausführungsformen kann das optische Element 20a allgemein ein Objektiv sein. Hier ist ein Objektiv bereitgestellt, das eine optische Linse als diskretes optisches Element 20a aufweist, die eine verstellbare Brennweite hat. Die optische Linse 20a ist beispielhaft eine Flüssiglinse. In 7 ist eine erste Brennweite veranschaulicht. In 8 ist eine zweite Brennweite veranschaulicht, die sich von der ersten unterscheidet. Das diskrete optische Element 20a ist also beispielhaft dafür eingerichtet, zwischen unterschiedlichen Brennweiten umgeschaltet zu werden. Durch die unterschiedlichen Brennweiteneinstellungen der optischen Linse 20a wird ein linsenbasiertes LiDAR-System 1 mit variabler Brennweite geschaffen, das einen kollimierten Modus einschließt, der in 4 gezeigt ist, und das einen fokussierten Modus einschließt, der in 5 gezeigt ist. Eine erste Brennweite entspricht also dem kollimierten Modus und eine zweite Brennweite entspricht dem fokussierten Modus. Je nach Abstand d zum Objekt 4 kann der kollimierte Modus oder der fokussierte Modus des diskreten optischen Elements 20a aktiviert werden, sodass das SNR in Abhängigkeit vom vorliegenden Abstand d zum Objekt 4 optimiert ist. Beim fokussierten Modus befindet sich die Strahltaille des Lichtstrahls bei einer definierten Zielentfernung. Diese kann gleich dem Abstand zu dem Objekt 4 gewählt sein. In einer anderen Ausführungsform, die nicht gezeigt ist, kann statt einer einzelnen Linse auch ein Linsensystem bestehend aus mindestens 2 Linsen verwendet werden, wobei die Brennweite einer jeden Einzellinse einstellbar ist.
9 zeigt eine Ausführungsform, bei der das optische System 5 als photonische integrierte Schaltung aufgebaut ist, die zwei Laserquellen 7a 7b einschließt. Die Laserquellen 7a und 7b sind zueinander versetzt, auf einer Linie nebeneinander, angeordnet. Hier ist vorgesehen, dass die Optikanordnung mehrere diskrete optische Elemente 20a und 20b einschließt, die dafür eingerichtet sind, eine Fokussierung als Lichtstrahleigenschaft in Abhängigkeit von dem Abstand d zu verändern. Die Optikanordnung umfasst in dieser Ausführungsform als ein diskretes optisches Element 20a ein Objektiv. Das Objektiv ist hier beispielhaft als optische Linse 20a verwirklicht und dazu eingerichtet, eine Kollimation des Lichtstrahls zu bewirken. Die optische Linse 20a ist beispielhaft wieder eine Flüssiglinse. In diesem Fall kann die Linse 20a jedoch auch „fest“ sein, da diese hier nur für die Kollimation verantwortlich ist. Weiter umfasst die Optikanordnung der optischen Linse 20a nachgelagert nämlich einen SLM, der dazu eingerichtet ist, eine Fokussierung des Lichtstrahls zu bewirken und ein weiteres diskretes optisches Element 20b ist. Wie zu sehen ist, sind das Objektiv 20a und der SLM 20b gleichzeitig beiden Lichtquellen 7a, 7b zugeordnet und erzeugen für jeden der beiden durch die Lichtquellen 7a, 7b erzeugten Lichtstrahlen einen unterschiedlichen Fokuspunkt. Dies ist der Fall, da sich die Brechungsrichtung in der Linse 20a zwischen den beiden Lichtstrahlen unterscheidet, da sie versetzt zueinander in die Linse 20a einfallen. Es handelt sich also um eine Realisierung mittels Linse 20a und SLM bzw. LCM, hier als focal-plane-array Lösung. Es können sowohl eine Laserquelle 7a als auch mehrere Laserquellen 7a, 7b auf einem photonisch integriertem Chip (PIC) 21 genutzt werden. Im Nicht-Fokus-Fall wirkt der SLM/ LCM 20b einfach als Umlenkspiegel. Eine Lichteinkopplung erfolgt über denselben PIC 21 mit einem integrierten Empfangspfad. Die Empfangseinheit 3 und die Sendeeinheit 2 sind also identisch. Sie können aber natürlich auch zwei voneinander separate Einheiten 2, 3 sein, wie in 1 veranschaulicht.
10 veranschaulicht schematisch eine Parallelisierung über mehrere Einzelobjektive 20a, hier drei, jeweils vereinfacht als optische Linsen veranschaulicht, in einem mono-axialen Fall. Im Ausführungsbeispiel aus 10 wird sowohl die Fokussierung als auch die Strahlablenkung (gestrichelte Linien) mittels SLM/LCM 20b realisiert. Für den biaxialen Fall wäre neben jedem Sendeobjektiv 20a vorzugsweise je ein Empfangsobjektiv angeordnet, was hier aber zur Vereinfachung nicht dargestellt ist.
Die diskreten optischen Elemente 20a, 20b können beispielsweise statt der Sendeeinheit 3 des OPA-Systems 6 auf das erste Verteilnetzwerk 8 folgend angeordnet sein und somit den Sende- 2 und den Empfangs-OPA 3 ersetzen. In nicht gezeigten Ausführungsformen ist vorgesehen, das OPA-System 6 mit den diskreten optischen Elementen 20a, 20b zu kombinieren, um eine verbesserte Fokussierung zu erreichen. Dann sind vorteilhaft die diskreten optischen Elemente 20a, 20b im optischen Pfad zwischen OPA 6 und Umwelt des LiDAR-Systems 1 angeordnet. Vor jeder Sendeantenne 19, zwischen Sendeantenne 19 und Umwelt, kann beispielsweise eine zugeordnete Linse 20a angeordnet sein oder eine gemeinsame zugeordnete Linse 20a für alle Sendeantennen 19. 11 veranschaulicht ein Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Systems 1. In Schritt S111 ist ein Bestrahlen einer Umwelt des LiDAR-Systems 1 mit einem oder mehreren Lichtstrahlen durch eine Sendeeinheit 2 des LiDAR-Systems 1 vorgesehen. Die Lichtstrahlen werden beispielsweise durch die Laserquellen 7a, 7b erzeugt und dann über die Sendeeinheit 2 ausgesendet. Danach folgt in Schritt S112 ein Empfangen des von einem Objekt 4 in der Umwelt reflektierten Lichtstrahls durch eine Empfangseinheit 3 des LiDAR-Systems 1. Die Empfangseinheit 3 kann als OPA ausgebildet sein. Sie kann sich von der Sendeeinheit 2 unterscheiden oder mit ihr identisch sein. Anschließend erfolgt in Schritt S113 ein Bestimmen eines Abstands d zwischen dem LiDAR-System 1 und dem Objekt 4 anhand des empfangenen Lichtstrahls durch das LiDAR-System 1. Dies kann beispielsweise durch eine Laufzeitmessung des Lichtstrahls und mittels des Mikroprozessors 17 erfolgen. Schließlich kommt es in Schritt S114 zu einem Anpassen des nachfolgenden Lichtstrahls vor dem Aussenden in die Umwelt in Abhängigkeit von dem Abstand d hinsichtlich mindestens einer Lichtstrahleigenschaft durch die Sendeeinheit 2, um ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis des zu empfangenden nachfolgenden Lichtstrahls, das an der Empfangseinheit 3 erzielt wird, zu optimieren.
Schritt S114 umfasst in manchen Ausführungsbeispielen weiter ein Fokussieren des nachfolgenden Lichtstrahls durch die Sendeeinheit 2 in Abhängigkeit von dem bestimmten Abstand d. Dazu ist in Schritt S114 optional weiter ein Abrufen von Einstellungen aus der Datenbank des LiDAR-Systems 1 durch das LiDAR-System 1 vorgesehen, um die Lichtstrahleigenschaft des nachfolgenden Lichtstrahls automatisch in Abhängigkeit von dem bestimmten Abstand d anzupassen, dem in der Datenbank entsprechende Einstellungen für die Lichtstrahleigenschaft zugeordnet sind.
Dieses Verfahren ist insbesondere mit dem LiDAR-System 1 aus 1 ausführbar, das die Datenbank einschließt, die eine Vielzahl von Abständen zu dem Objekt 2 zugeordnet zu entsprechenden Einstellungen der Optikanordnung aufweist, um dem LiDAR-System 1 zu ermöglichen, die Optikanordnung derart automatisch einzustellen, dass die Lichtstrahleigenschaft in Übereinstimmung mit dem Abstand d verändert wird, sobald der Abstand d bestimmt ist. Die Datenbank wird beispielhaft in dem Datenspeicher 18, der ein Speicherchip sein kann, werksseitig abgelegt.
12 zeigt schließlich ein Diagramm, das das SNR in Abhängigkeit vom Abstand d zum Objekt 4 für unterschiedliche Modi des LiDAR-Systems 1 veranschaulicht. Die durchgezogene Kurve zeigt dies für einen Strahlradius von 7,5 mm (d.h. Durchmesser = 15 mm) für den kollimierten Modus. Die gepunktete Kurve betrifft einen fokussierten Modus, bei dem die Strahltaille bei einem Abstand d von 100 m liegt. Die beiden spitzen Kurven zeigen den fokussierten Modus bei 100 m für Strahlradien von 1 mm bzw. 2 mm. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass eine gezielte Auswahl des Modus des LiDAR-Systems 1 in Abhängigkeit vom Abstand d zum Objekt 4 zu einem optimierten SNR führen kann. Für einen Abstand d von 100 Metern wäre es also vorteilhaft, das LiDAR-System 1 beispielhaft in einem Modus mit Strahlradius von 1 mm zu betreiben. Das SNR an der Empfangseinheit 3 ist in diesem Modus für diesen Abstand d nämlich das höchste aller, hier vier, verfügbaren Betriebsmodi und somit optimiert.
Die Erfindung stellt somit ein LiDAR-System 1 bereit, insbesondere ein FMCW-LiDAR-System 1, welches in Ausführungsformen zur Erhöhung der Detektionswahrscheinlichkeit bei einem beliebigen Abstand d eine Fokussierung des Strahls in einer oder auch zwei Dimensionen vornehmen kann. Dies kann vorzugsweise durch ein OPA-basiertes FMCW-LiDAR-System 1 realisiert werden, welches im Fokusmodus betrieben wird, um das SNR für gewählte Zielabstände, also Abstände d zum Objekt 4, zu erhöhen. Notwendig könnte dies werden bei z.B. schlecht sichtbaren Zielen bzw. Objekten 4 oder im sogenannten ROI-Modus (region of interest, dt. Region von Interesse), bei dem ein gewisser Bereich im Sichtfeld mit erhöhter Auflösung und Integrationszeit betrachtet wird, um mehr Details zu erkennen und „weiter“ zu sehen. Grund der Verbesserung ist eine vorzugsweise durch die Fokussierung vergrößerte effektive Empfangsapertur. Variable Linsensysteme mit diskreten optischen Elementen 20a, 20b liefern wie erläutert alternativ die Möglichkeit einer Fokussierung. Die Erfindung kann sowohl für die monoaxiale als auch für die biaxiale Architektur des OPA-Systems 6 eingesetzt werden. Die Wellenfronten 16 können an der Tx- oder der Rx-Apertur gemäß Ausführungsformen vorteilhaft geformt und zeitlich verändert werden. Der Effekt ist hierbei gleichwertig. Zudem können die Wellenfronten auch gleichzeitig an beiden Aperturen, also seitens der Sendeeinheit 2 und der Empfangseinheit 3, vorteilhaft geformt werden. Optionen für die zeitliche Änderung der Wellenfronten sind ebenfalls je nach Ausführungsform gegeben. Wie zuvor bereits beschrieben, können die entsprechenden Änderungen der Phasen auch für die Rx-Antennen vorgenommen werden, also auf Seiten der Empfangseinheit 3. Insbesondere im Hinblick auf die Optimierung der Einkoppeleffizienz ist es vorteilhaft, dieselben Phasenlage sowohl für Tx- und Rx-Antennen einzustellen, also sowohl in der Sendeeinheit 2 wie auch in der Empfangseinheit 3, damit beide Strahlen in dieselbe Richtung zeigen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102021201499 [0033]

Claims

LiDAR-System (1), das eine Sendeeinheit (2) und eine Empfangseinheit (3) aufweist, wobei die Sendeeinheit (2) dafür eingerichtet ist, einen oder mehrere Lichtstrahlen in eine Umwelt auszusenden, und die Empfangseinheit (3) dafür eingerichtet ist, den einen oder die mehreren Lichtstrahlen zu empfangen, nachdem sie in der Umwelt an einem Objekt (4) reflektiert wurden, dadurch gekennzeichnet, dass das LiDAR-System (1) dafür eingerichtet ist, die Lichtstrahlen vor dem Aussenden in die Umwelt in Abhängigkeit von einem Abstand (d) des LiDAR-Systems (1) zu dem Objekt (4) hinsichtlich mindestens einer Lichtstrahleigenschaft anzupassen, um ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis des zu empfangenden Lichtstrahls, das an der Empfangseinheit (3) erzielt wird, zu optimieren.
LiDAR-System (1) nach Anspruch 1, wobei die Sendeeinheit (2) eine Optikanordnung umfasst, die ein oder mehrere optisch wirksame Bauteile aufweist, um die Lichtstrahleigenschaft in Abhängigkeit von dem Abstand (d) zu verändern.
LiDAR-System (1) nach Anspruch 2, wobei das LiDAR-System (1) ein optisches Phasenarray-System (6) einschließt, das die Sendeeinheit (2) einschließt, die die Optikanordnung umfasst, die dafür eingerichtet ist, eine Fokussierung als Lichtstrahleigenschaft in Abhängigkeit von dem Abstand (d) zu verändern.
LiDAR-System (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Optikanordnung ein oder mehrere diskrete optische Elemente (20a, 20b) einschließt, die dafür eingerichtet sind, eine Fokussierung als Lichtstrahleigenschaft in Abhängigkeit von dem Abstand (d) zu verändern.
LiDAR-System (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das LiDAR-System (1) eine Datenbank einschließt, die eine Vielzahl von Abständen (d) zu dem Objekt (4) zugeordnet zu entsprechenden Einstellungen der Optikanordnung aufweist, um dem LiDAR-System (1) zu ermöglichen, die Optikanordnung derart automatisch einzustellen, dass die Lichtstrahleigenschaft in Übereinstimmung mit dem Abstand (d) verändert wird, sobald der Abstand (d) bestimmt ist.
LiDAR-System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das LiDAR-System (1) in Einkanal-Konfiguration eingerichtet ist.
LiDAR-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das LiDAR-System (1) in Mehrkanal-Konfiguration eingerichtet ist.
Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Systems (1), umfassend die Schritte: - Bestrahlen (S111) einer Umwelt des LiDAR-Systems (1) mit einem oder mehreren Lichtstrahlen durch eine Sendeeinheit (2) des LiDAR-Systems (1); - Empfangen (S112) des von einem Objekt (4) in der Umwelt reflektierten Lichtstrahls durch eine Empfangseinheit (3) des LiDAR-Systems (1); - Bestimmen (S113) eines Abstands (d) zwischen dem LiDAR-System (1) und dem Objekt (4) anhand des empfangenen Lichtstrahls durch das LiDAR-System (1); wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: - Anpassen (S114) eines nachfolgenden Lichtstrahls vor dem Aussenden in die Umwelt in Abhängigkeit von dem Abstand (d) hinsichtlich mindestens einer Lichtstrahleigenschaft durch das LiDAR-System (1), um ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis des zu empfangenden nachfolgenden Lichtstrahls, das an der Empfangseinheit (3) erzielt wird, zu optimieren.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Anpassen (S114) weiter umfasst: - Fokussieren des nachfolgenden Lichtstrahls durch die Sendeeinheit (2) in Abhängigkeit von dem bestimmten Abstand (d).
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Anpassen (S114) weiter umfasst: - Abrufen von Einstellungen aus einer Datenbank des LiDAR-Systems (1) durch das LiDAR-System (1), um die Lichtstrahleigenschaft des nachfolgenden Lichtstrahls automatisch in Abhängigkeit von dem bestimmten Abstand (d) anzupassen, dem in der Datenbank entsprechende Einstellungen für die Lichtstrahleigenschaft zugeordnet sind.