Titel:

Detektionsvorrichtung zur Detektion von Objekten

Tech nisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung zur Detektion von Objekten mit tels elektromagnetischer Strahlung mit einer Sendeeinrichtung mit einem Pha- senarray.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Detektion von Objekten mittels elektromagnetischer Strahlung.

Die Erfindung betrifft weiter ein LIDAR-System mit einer Detektionsvorrichtung.

Stand der Technik

Ein Phasenarray ist im Wesentlichen eine phasengesteuerte Gruppenantenne mit starker Richtwirkung, die eine Bündelung von elektromagnetischer Strah lungsenergie durch die Anordnung und Verschaltung von Einzelstrahlern/-emit- tern erreicht. Wenn sich die Einzelstrahler unterschiedlich ansteuern lassen, ist das Antennendiagramm der Gruppenantenne elektronisch schwenkbar, sodass auf mechanisch bewegliche Teile hierfür verzichtet werden kann.

Eine Strahlformung im Fernfeld erfolgt bei Phasenarrays durch eine konstruktive und destruktive Überlagerung der von den einzelnen Emittern, meist periodisch im Array angeordneten Elementen (Antennen/Emitter) ausgestrahlten elektro magnetischen Wellen. Gegeben durch die Abstände der Einzelemitter im Array und die verwendete Wellenlänge ergeben sich im Fernfeld eine oder mehrere Po sitionen, an welchen die Teilwellen der Einzelemitter konstruktiv interferieren und einen Spot beziehungsweise Punkt erzeugen. Diese Punkte/Richtungen werden auch als Hauptkeule und gegebenenfalls Nebenkeulen bezeichnet. Über das Ein stellen der Phase der einzelnen Teilwellen lässt sich die Position und/oder Rich tung, an welcher die konstruktive Überlagerung stattfindet, beeinflussen. Die Keule kann so z.B. über einen Winkelbereich bewegt werden. Weiterhin ist es möglich, über die Festlegung der Einzelphasen ein nahezu beliebiges Intensitäts profil im Fernfeld zu erzeugen.

Aus der EP 2 115 899 Bl ist ein System zum Empfangen von Nebenkeulensig nalen eines GPS-Signals zur Positions- und Geschwindigkeitsabstimmung von Raumfahrzeugen unter Benutzung einer Conical-Mode Helix-Antenne bekannt geworden. Die Helixantenne weist Windungsumfänge von mehreren Zentimetern auf.

Aus der US 2016/0049765A1 ist weiter eine Vorrichtung mit einer Sendevorrich tung zur Aussendung von Licht in einer Dimension bekannt geworden, deren Phase so gesteuert wird, dass diese auch in einer zweiten Dimension ausgesen det werden und mit einer Empfangsvorrichtung zum Empfangen von Objekten re flektierten Lichts.

Offenbaru ng der Erfindu ng

In einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine Detektionsvorrichtung zur De tektion von Objekten mittels elektromagnetischer Strahlung bereit, umfassend eine Sendeeinrichtung mit einem Phasenarray zum Scannen eines vorbestimm ten Winkelbereichs zur Detektion eines Objekts, wobei das Phasenarray ausge bildet ist, eine Strahlungscharakteristik mit einer Hauptkeule und zumindest einer Nebenkeule bereitzustellen, eine Empfangseinrichtung mit zumindest zwei Pha- senarrays zum Empfangen der von der Sendeeinrichtung ausgesandten und von Objekten reflektierten elektromagnetischen Strahlung, wobei eines der Pha- senarrays zum Empfangen der Hauptkeule, das zumindest eine weitere Pha- senarray zum Empfangen zumindest einer der Nebenkeulen ausgebildet ist.

In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Detek tion von Objekten mittels elektromagnetischer Strahlung bereit, umfassend die Schritte

- Aussenden von elektromagnetischer Strahlung in einen vorbestimmten Winkel bereich zur Detektion von Objekten mit einem ersten Phasenarray, wobei mittels des Phasenarrays eine Strahlungscharakteristik mit einer Hauptkeule und zumin dest einer Nebenkeule bereitgestellt wird, und

- Empfangen der von einem Phasenarray einer Sendeeinrichtung ausgesandten und von Objekten reflektierten elektromagnetischen Strahlung mittels einer Emp fangseinrichtung mit zumindest zwei Phasenarrays, wobei mittels einem der Pha senarrays die Hauptkeule, mit dem zumindest einen weiteren Phasenarray zu mindest eine der Nebenkeulen empfangen wird.

In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein LIDAR-System mit ei ner Detektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-8 bereit.

Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass Nebenkeulen nicht aufwendig unter drückt werden müssen, sodass ein hohes Signal-zu- Rausch- Verhältnis ermög licht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein Winkelbereich durch die Verwendung von Nebenkeulen auch mit größeren Emitter-Abständen auf einfache und kosten günstige Weise gescannt werden kann. Darüber hinaus ist ein Vorteil, dass meh rere Richtungen gleichzeitig aufgenommen beziehungsweise gescannt werden können, sodass die jeweilige Messzeit pro Richtung erhöht werden kann, was zu einem besseren Signal-zu- Rausch- Verhältnis führt beziehungsweise die Zeit für ein Scannen des Winkelbereichs erheblich reduziert.

Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Phasenarray der Empfangsein richtung zum Empfangen der Hauptkeule des Phasenarrays der Sendeeinrich tung ausgebildet. Mit anderen Worten wird zum Aussenden der Hauptkeule und zum Empfangen derselben das gleiche Phasenarray verwendet. Auf diese Weise ist eine zusätzliche Anordnung eines Phasenarrays für den Empfang zumindest der Hauptkeule nicht notwendig, was die Herstellungskosten senkt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung entspricht die Anzahl der Pha senarrays der Empfangseinrichtung der Anzahl der Haupt- und Nebenkeulen der Sendeeinrichtung. Auf diese Weise ist ein besonders zuverlässiger Empfang je der einzelnen Haupt- und Nebenkeulen sichergestellt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weisen die Emitter des Pha senarrays der Sendeeinrichtung einerseits und die Emitter der zumindest zwei Phasenarrays der Empfangseinrichtung andererseits unterschiedliche Perioden auf. Vorteil hiervon ist, dass die Zuverlässigkeit beim Empfang erhöht werden kann, da zwischen Reflexionen aus verschiedenen Strahlungsrichtungen der Sendeeinrichtung unterschieden werden kann. Ebenso wird die Flexibilität er höht, da jeweilige Perioden der Phasenarrays zum Aussenden bzw. zum Emp fangen aufeinander abgestimmt werden können.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Periode der Emitter des Phasenarrays der Sendeeinrichtung größer als die Periode der Emitter zumindest eines, insbesondere sämtlicher Phasenarrays der Empfangseinrichtung. Vorteil hiervon ist, dass die Zuverlässigkeit weiter erhöht wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weisen die Emitter eines der zumindest zwei Phasenarrays der Empfangseinrichtung eine erste Periode und die Emitter des zumindest einen anderen Phasenarrays eine zweite Periode auf, wobei erste und zweite Periode unterschiedlich sind. Damit wird die Flexibilität bei der Ausbildung der Empfangseinrichtung erhöht und gleichzeitig die Zuverläs sigkeit beim Empfang von elektromagnetischer Strahlung weiter verbessert. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest eines der Pha- senarrays der Empfangseinrichtung unter einem Winkel zu dem Phasenarray der Sendeeinrichtung orientiert angeordnet. Auf diese Weise kann die Empfangseffi zienz weiter verbessert werden, da die Phasenarrays der Empfangseinrichtung und das Phasenarray der Sendeeinrichtung so unter einem Winkel zueinander angeordnet werden können, sodass sich die Nebenkeulen der Sendeeinrichtung mit den Hauptkeulen der Empfangsvorrichtung überlagern. Der Winkel wird ins besondere bezüglich der Neigung der Ebenen der Phasenarrays zueinander ge messen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest eines der Pha senarrays als optisches Halbleiter- Phasenarray ausgebildet. Dies ermöglicht eine kostengünstige und kompakte Herstellung der Detektionsvorrichtung.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Un teransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschrei bung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, son dern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funkti onal gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.

Ku rze Beschreibu ng der Zeichnu ngen

Dabei zeigen in schematischer Form Figur 1 in abstrakter Form einen Aufbau einer Detektionsvorrichtung gemäß ei ner Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 eine Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegen den Erfindung;

Figur 3 eine Sendeeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 4 eine Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegen den Erfindung; und

Figur 5 eine Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegen den Erfindung.

Ausfü hru ngsformen der Erfind u ng

Figur 1 zeigt in abstrakter Form einen Aufbau einer Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und Figur 2 zeigt eine Detekti onsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Im Detail sind in Figur 1 schematisch und abstrakt Komponenten einer Detekti onsvorrichtung 1 gezeigt. Die Detektionsvorrichtung 1 weist dabei eine Lichtbe reitstellungseinrichtung 100 auf, insbesondere eine Lichtquelle, gegebenenfalls mit Komponenten für eine Lichteinkopplung. Die Lichtbereitstellungseinrichtung 100 ist dabei mit einer Lichtverteilungseinrichtung 101, beispielsweise in Form von Wellenleitern 101a, Strahlteilern 101b oder dergleichen verbunden. Die Licht verteilungseinrichtung 101 ist wiederum mit einer Phasenschiebereinrichtung 102, umfassend einen oder mehrere Phasenschieber und mit einer Phasenschie berkontrolleinrichtung, verbunden. Die Phasenschiebereinrichtung 102 ist dann mit entsprechenden Sende- und Empfangsantennen 3, 3a, 3b, 3c in Form von Phasenarrays oder dergleichen verbunden.

In Figur 2 sind nun die in Figur 1 dargestellten abstrakten Komponenten im Detail dargestellt. Ausgehend von einer Lichtquelle 100a verläuft ein Lichtstrahl über Wellenleiter 101a und Strahlteiler 101b der Lichtverteilungseinrichtung 101 zu Phasenschiebern 102a der Phasenschiebereinrichtung 102, die mit Emittern 6 eines Sendeantennenarrays 2a verbunden sind. Das Sendeantennenarray 2a mit Emittern 6 ist dabei im Wesentlichen flächig ausgebildet mit Abmessungen in x- Richtung 110 und y-Richtung 111. Die jeweiligen Emitter 6 weisen entlang einer Richtung 111 Einzel Emitter 6‘ auf, die mit einem Abstand 21 beziehungsweise mit einer (Gitter-) Periode a angeordnet sind. In x- Richtung 110 sind die Emitter 6 mit einer Periode beziehungsweise Abstand 20 angeordnet.

Mit anderen Worten wird Licht einer externen Lichtquelle über eine Einkoppel struktur, zum Beispiel ein Gitterkoppler in Wellenleiter 101a eingekoppelt. Alter nativ kann auch eine Lichtquelle in der Detektionsvorrichtung 1 angeordnet wer den. Mit einer Wellenleiterstruktur in Form einer Baumstruktur von Wellenleitern 101a, 101b und Strahlteilern 101b wird das Licht verteilt. Mit einzelnen Wellenlei tern 101a sind jeweils Komponenten 102a zur Manipulation der Phase verbun den. Diese sogenannten Phasenschieber 102a können auf unterschiedlichen physikalischen Effekten beruhen, beispielsweise auf dem elektro-optischen Ef fekt. Nach Durchgang durch die Phasenschieber 102a wird das Licht in ein Array von Emittern 6 geführt. Diese können das Licht an die Umgebung abstrahlen.

Dies kann z.B. durch Emitter in Form von Gitterstrukturen in Wellenleitern reali siert werden. Genauso kann Licht auch wieder über die Antennen empfangen werden. Die in Figur 2 gezeigte Anordnung dient dann als Empfangseinrichtung.

Werden die Phasenschieber 102a so eingestellt, dass die Phase in allen Emittern 6 gleich ist, werden eine oder mehrere Strahlungskeulen aus der Chipfläche 60 nach oben abgestrahlt. Der Winkel 200 in der yz-Ebene ist gegeben durch die Wellenlänge und die Gitterperiode a des Antennenarrays 2a. Die Winkel 201 der emittierten Strahlungskeulen in xz- Ebene ergeben sich aus der Emitterperiode d und der Wellenlänge l gemäß 0 _±1 = sin ^-1 - . Über eine Variation der Phasen durch die Phasenschieber 102a können nun die einzelnen Keulen bewegt wer den. Die Breite der Keulen, beziehungsweise die Divergenz der ausgekoppelten Welle, wird von der Arrayfläche 110, 111 beeinflusst.

Figur 3 zeigt eine Sendeeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegen den Erfindung.

In Figur 3 ist eine Sendevorrichtung 2 mit einem Phasenarray 2a gezeigt. Das Phasenarray 2a scannt dabei einen Winkelbereich 300 mit seiner Hauptkeule 10 und jeweils links und rechts benachbart die Winkelbereiche 301,302 mit der je weils linken beziehungsweise rechten Nebenkeule 11, 12. Insgesamt kann so ein Gesamtwinkelbereich 300, 301, 302 gescannt werden.

Figur 4 zeigt eine Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vor liegenden Erfindung.

In Figur 4 ist eine Detektionsvorrichtung 1 mit einer Sendevorrichtung 2 gemäß Figur 2 gezeigt. Zusätzlich weist die Detektionsvorrichtung 1 eine Empfangsein richtung 3 mit drei nebeneinander angeordneten, flächig ausgebildeten Pha- senarrays 3a, 3b, 3c auf. Die Periode des flächig ausgebildeten Phasenarrays 2a der Sendeeinrichtung 2 ist mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet und die jeweili gen Perioden der Emitter 5a, 5b, 5c der Phasenarrays 3a, 3b, 3c der Empfangs einrichtung 3 sind mit den Bezugszeichen 30, 31 und 32 bezeichnet. Die Emitter 6 des Phasenarrays 2a der Sendeeinrichtung 2 weisen dabei eine von der Peri ode 30, 31, 32 der jeweiligen Phasenarrays 3a, 3b, 3c der Empfangseinrichtung 3 verschiedene Periode 20 auf. Im Wesentlichen weisen also das Phasenarray 2a der Sendeeinrichtung 2 und die der Empfangseinrichtung 3 prinzipiell den in Figur 1 beziehungsweise Figur 2 beschriebenen Aufbau auf.

Über die Phasenschieber 102b der Empfangseinrichtung 3 können deren Haupt keulen 30a, 30b, 30c jeweils auf die Richtung der Sendekeulen 10, 11, 12 der Sendeeinrichtung 2 eingestellt werden. Um zwischen den Reflexionen aus den Strahlungsrichtungen der Sendeeinrichtung 2 zu unterscheiden, weisen die Emit ter 5a, 5b, 5c der Phasenarrays 3a, 3b, 3c der Empfangseinrichtung 3 eine von dem Phasenarray 2a der Sendeeinrichtung 2 mit Emitterperiode 20, dix, ver schiedene Periode 30, 31, 32, d _R x auf. Die Perioden d _R x 30, 31, 32 können sich auch untereinander unterscheiden. Werden die Sendekeulen 10, 11, 12 nun über einen Winkelbereich 300, 301, 302 gescannt, werden die jeweiligen Empfangs keulen 30a, 30b, 30c entsprechend nachgefahren. Die Perioden d _R x , 30, 31 32 sind so zu wählen, dass die jeweiligen Empfangsnebenkeulen 30b, 30c, 31b,

31c, 32b, 32c auch beim Scannen der Sendekeulen 10, 11, 12 immer nur eine Sendekeule 10, 11, 12 empfangen können. In Figur 4 sind drei Sendekeulen 10, 11, 12 gezeigt. Vom Phasenarray 2a der Sendeeinrichtung 2 in die Richtung der Nebenkeule 11 gesendetes Licht wird reflektiert und mit dem Phasenarray 3b der Empfangseinrichtung 3 empfangen. Durch die verschiedenen Sende- und Emp fangsperioden der Emitter 5a, 5b, 5c, 6 ist das Phasenarray 3b in den Richtun gen der weiteren Sendekeulen 10, 12 blind. Für das Phasenarray 3c gilt entspre chendes. In Figur 4 weisen die Phasenarrays 3a, 3b, 3c der Empfangseinrichtung 3 eine kleinere Periode 30, 31, 32 als das Phasenarray 2a der Sendeeinrichtung 2 auf.

Beispielhaft weisen die Phasenarrays 3a, 3b, 3c der Empfangseinrichtung 3 eine Periode d _RX = 2,485 pm auf, wohingegen das Phasenarray 2a der Sendeeinrich tung 2 eine Periode von di _x = 2,685 pm aufweist.

Figur 5 zeigt eine Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vor liegenden Erfindung.

In Figur 5 ist im Wesentlichen eine Detektionsvorrichtung 1 gemäß Figur 4 ge zeigt. Im Unterschied zur Detektionsvorrichtung 1 gemäß Figur 4 sind bei der De tektionsvorrichtung 1 gemäß Figur 5 nun zwei der drei Phasenarrays 3a, 3b, 3c der Empfangseinrichtung 3 in einem Winkel 40 zu dem Phasenarray 2a der Sen deeinrichtung 2 angeordnet, sodass sich die Nebenkeulen 11, 12 der Sendeein richtung 2 mit den Hauptkeulen 30a, 31a, 32a überlagern, was die Effizienz beim Empfang verbessert. Mit anderen Worten sind die Hauptkeulen 30a, 31a, 32a der Empfangseinrichtung 3 auf die Giterkeulen des Phasenarrays 2a der Sendeein richtung 2 ausgerichtet. Der Winkel 40 beträgt hierbei ca. 45° für die seitlichen Phasenarrays 3b, 3c für die Nebenkeulen 11, 12, wohingegen für die Hauptkeule 10 das Phasenarray 3a der Empfangseinrichtung 3 parallel zum Phasenarray 2a der Sendeeinrichtung 2 angeordnet ist, mit anderen Worten also nicht unter ei nem Winkel angeordnet ist.

Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen der vorliegen den Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:

• Hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis.

• Einfache Herstellbarkeit durch mögliche höhere Emiter-Abstände.

• kürzere Zeit zum Scannen eines vorgegebenen Winkelbereichs. Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele be schrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.