LASERSYSTEM ZUR ENTFERNUNGSMESSUNG UND VERFAHREN ZUR

ENT FERNUNGSME S SUNG

Es werden ein Lasersystem zur Entfernungsmessung und ein Verfahren zur Entfernungsmessung angegeben .

Für Entfernungsmessungen werden häufig Systeme mit einem Laser verwendet . Ein Beispiel für solche Systeme sind sogenannte Lidar ( light detection and ranging) Systeme . Dabei wird mit einem Laser des Systems ein Bereich abgerastert und somit können die Entfernungen zu verschiedenen Obj ekten in diesem Bereich bestimmt werden . Entfernungsmessungen finden beispielsweise im Bereich des autonomen Fahrens Anwendung .

Dabei ist es notwendig eine Viel zahl von Entfernungsmessungen in der Umgebung des Fahrzeugs durchzuführen .

In vielen Anwendungen, in welchen Entfernungsmessungen durchgeführt werden, ist es erforderlich, dass sowohl die Entfernung zu einem Obj ekt in der Umgebung als auch dessen Relativgeschwindigkeit bestimmt wird . Dies sollte in möglichst kurzen Zeitintervallen erfolgen, um eine hohe Auflösung zu erreichen .

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein ef fi zientes Lasersystem zur Entfernungsmessung anzugeben . Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein ef fi zientes Verfahren zur Entfernungsmessung anzugeben .

Die Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben . Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, umfasst das Lasersystem einen Laser . Der Laser kann eine Laserdiode aufweisen . Der Laser ist dazu ausgelegt im Betrieb Laserstrahlung zu emittieren . Die Wellenlänge der emittierten Laserstrahlung ist beliebig . Bevorzugt liegt die Wellenlänge der emittierten Laserstrahlung im Infrarotbereich .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, umfasst das Lasersystem einen Strahlteiler , der dazu ausgelegt ist , vom Laser emittierte Laserstrahlung in eine erste Laserstrahlung und eine zweite Laserstrahlung auf zuteilen, wobei die erste Laserstrahlung und die zweite Laserstrahlung j eweils einen Anteil der vom Laser emittierten Laserstrahlung umfassen . Die erste Laserstrahlung kann zur Entfernungsmessung genutzt werden . Das bedeutet , die erste Laserstrahlung kann über einen Wellenleiter zu weiteren optischen Elementen geleitet werden und anschließend aus dem Lasersystem austreten . Somit ist das Lasersystem dazu ausgelegt die erste Laserstrahlung zu emittieren . Bei der zweiten Laserstrahlung kann es sich um Referenzstrahlung handeln, welche oft als lokaler Os zillator bezeichnet wird . Das Lasersystem ist derart aufgebaut , dass die zweite Laserstrahlung zumindest größtenteils im Lasersystem verbleibt . Der Strahlteiler kann einen mechanischen Spiegel , einen MEMS (micro-electro-mechanical system - Mikrosystem) Spiegel , einen optischen parametrischen Verstärker oder einen Gitterkoppler aufweisen . Der Laser kann über einen Wellenleiter mit dem Strahlteiler verbunden sein . Somit kann vom Laser emittierte Laserstrahlung über den Wellenleiter zum Strahlteiler gelangen . Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, umfasst das Lasersystem ein Modulationsmodul , das dazu ausgelegt ist die Intensität der ersten Laserstrahlung für die Dauer eines ersten Zeitintervalls zu ändern . Das bedeutet , das Modulationsmodul ist dazu ausgelegt die Intensität der ersten Laserstrahlung für die Dauer des ersten Zeitintervalls zu modulieren . Somit kann während des ersten Zeitintervalls die erste Laserstrahlung, welche aus dem Modulationsmodul austritt , eine andere Intensität aufweisen als die erste Laserstrahlung, welche in das Modulationsmodul eintritt . Beispielsweise ist das Modulationsmodul dazu ausgelegt die Intensität der ersten Laserstrahlung für die Dauer des ersten Zeitintervalls zu erhöhen oder zu verstärken . Alternativ ist das Modulationsmodul dazu ausgelegt die Intensität der ersten Laserstrahlung für die Dauer des ersten Zeitintervalls zu verringern oder abzuschwächen . Dabei bezieht sich die Änderung der Intensität der ersten Laserstrahlung auf Zeitpunkte unmittelbar vor und/oder nach dem ersten Zeitintervall oder auf die in das Modulationsmodul eintretende erste Laserstrahlung .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, umfasst das Lasersystem einen Detektor . Der Detektor kann dazu ausgelegt sein Laserstrahlung zu detektieren . Bei dem Detektor kann es sich um einen Photodetektor handeln .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, ist der Strahlteiler zwischen dem Laser und dem Modulationsmodul angeordnet . Der Strahlteiler kann über einen Wellenleiter mit dem Modulationsmodul verbunden sein . Somit kann erste Laserstrahlung über den Wellenleiter vom Strahlteiler zum Modulationsmodul gelangen . Das Lasersystem kann somit insgesamt mindestens zwei Wellenleiter aufweisen . Bei den Wellenleitern des Lasersystems kann es sich um Einzelmoden-Fasern handeln .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, ist der Laser dazu ausgelegt kontinuierlich Laserstrahlung zu emittieren, deren Frequenz sich zumindest während eines zweiten Zeitintervalls ändert . Es ist möglich, dass sich die Frequenz der emittierten Laserstrahlung periodisch ändert . Das zweite Zeitintervall kann dabei einer Periode entsprechen . Somit ist der Laser dazu ausgelegt kontinuierlich Laserstrahlung zu emittieren, deren Wellenlänge sich zumindest während des zweiten Zeitintervalls ändert . Das bedeutet , die vom Laser emittierte Laserstrahlung kann frequenzmoduliert sein .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, ist der Detektor dazu eingerichtet zumindest einen Teil der ersten Laserstrahlung, die an einem Obj ekt reflektiert wurde , und zumindest einen Teil der zweiten Laserstrahlung zu detektieren . Das kann bedeuten, dass der Detektor dazu eingerichtet ist zumindest einen Teil der an einem Obj ekt reflektierten ersten Laserstrahlung zu detektieren . Das Lasersystem kann dazu ausgelegt sein zumindest einen Teil der ersten Laserstrahlung zu emittieren . Die emittierte erste Laserstrahlung kann an einem Obj ekt in der Umgebung des Lasersystems reflektiert werden . Der Detektor ist dazu ausgelegt zumindest einen Teil dieser reflektierten ersten Laserstrahlung zu detektieren . Gleichzeitig ist der Detektor dazu eingerichtet zumindest einen Teil der zweiten Laserstrahlung zu detektieren . Dazu wird die zweite Laserstrahlung in Richtung des Detektors gelenkt . Dies kann über mindestens einen Spiegel und mindestens einen Wellenleiter erfolgen . Der Detektor ist somit dazu eingerichtet gleichzeitig auf diesen auftref fende reflektierte erste Laserstrahlung und zweite Laserstrahlung zu detektieren . Beispielsweise werden beim Eintritt in den Detektor die reflektierte erste Laserstrahlung und die zweite Laserstrahlung zu Mischstrahlung überlagert . Dazu können die reflektierte erste Laserstrahlung und die zweite Laserstrahlung beim Eintritt in den Detektor oder vor dem Detektor in mindestens einem Faserkoppler zusammengeführt werden . Der Detektor kann mindestens einen Faserkoppler aufweisen . Der Detektor ist dazu ausgelegt diese Mischstrahlung zu detektieren .

Das Lasersystem kann zur Auskopplung der ersten Laserstrahlung ein optisches Element aufweisen . Das Lasersystem kann zur Einkopplung der reflektierten ersten Laserstrahlung ein weiteres optisches Element aufweisen . Alternativ weist das Lasersystem insgesamt ein optisches Element zur Auskopplung der ersten Laserstrahlung und zur Einkopplung der reflektierten ersten Laserstrahlung auf . Das bedeutet , dass die erste Laserstrahlung über das optische Element aus dem Lasersystem ausgekoppelt wird und die reflektierte erste Laserstrahlung über das optische Element auch wieder in das Lasersystem eingekoppelt wird . In diesem Fall weist das optische Element einen optischen Zirkulator auf . Dadurch wird eine Überlagerung der ersten Laserstrahlung und der reflektierten ersten Laserstrahlung im Lasersystem vermieden .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, umfasst das Lasersystem einen Laser, einen Strahlteiler , der dazu ausgelegt ist , vom Laser emittierte Laserstrahlung in eine erste Laserstrahlung und eine zweite Laserstrahlung auf zuteilen, wobei die erste Laserstrahlung und die zweite Laserstrahlung j eweils einen Anteil der vom Laser emittierten Laserstrahlung umfassen, ein Modulationsmodul , das dazu ausgelegt ist die Intensität der ersten Laserstrahlung für die Dauer eines ersten Zeitintervalls zu ändern, und einen Detektor, wobei der Strahlteiler zwischen dem Laser und dem Modulationsmodul angeordnet ist , der Laser dazu ausgelegt ist kontinuierlich Laserstrahlung zu emittieren, deren Frequenz sich zumindest während eines zweiten Zeitintervalls ändert , und der Detektor dazu eingerichtet ist zumindest einen Teil der ersten Laserstrahlung, die an einem Obj ekt reflektiert wurde , und zumindest einen Teil der zweiten Laserstrahlung zu detektieren .

Dem hier beschriebenen Lasersystem liegt unter anderem die Idee zugrunde , dass gleichzeitig eine Entfernung zu einem Obj ekt in der Umgebung des Lasersystems und dessen Relativgeschwindigkeit in Bezug auf das Lasersystem bestimmt werden können . Während des ersten Zeitintervalls ist die Intensität der ersten Laserstrahlung verändert im Vergleich zu Zeitpunkten außerhalb des ersten Zeitintervalls . Das Lasersystem ist dazu ausgelegt auch außerhalb des ersten Zeitintervalls kontinuierlich erste Laserstrahlung zu emittieren . Für den Anteil der ersten Laserstrahlung, welcher während des ersten Zeitintervalls emittiert wird, weist auch die reflektierte erste Laserstrahlung eine messbar veränderte Intensität auf . Das bedeutet , dass durch die Ermittlung der Zeitdauer zwischen dem Beginn des ersten Zeitintervalls und der Detektion reflektierter erster Laserstrahlung mit veränderter Intensität die Lauf zeit der ersten Laserstrahlung vom Lasersystem zum Obj ekt , an welchem die erste Laserstrahlung reflektiert wird, und zum Lasersystem zurück bestimmt werden kann . Aus dieser Lauf zeit kann die Entfernung des Obj ekts zum Lasersystem bestimmt werden . Dies erfolgt wie bei time-of- f light ( Lauf zeit ) Messungen . Da die Detektion über Mischstrahlung aus der reflektierten ersten Laserstrahlung und der zweiten Laserstrahlung erfolgt , handelt es sich bei dieser Form der Bestimmung der Entfernung um ein Heterodynverfahren .

Gleichzeitig ist das Lasersystem dazu ausgelegt , kontinuierlich erste Laserstrahlung zu emittieren . Dabei ändert sich die Frequenz der ersten Laserstrahlung mit der Zeit . Das erste Zeitintervall kann im zweiten Zeitintervall liegen . Das bedeutet , erste Laserstrahlung, welche aus dem Lasersystem austritt , an einem Obj ekt reflektiert wird und zum Lasersystem zurück gelangt , weist eine längere Lauf zeit auf als gleichzeitig emittierte zweite Laserstrahlung, welche lediglich intern zum Detektor gelenkt wird . Somit weisen die reflektierte erste Laserstrahlung und die zweite Laserstrahlung, welche gleichzeitig auf den Detektor tref fen, unterschiedliche Frequenzen auf . Da die reflektierte erste Laserstrahlung und die zweite Laserstrahlung beim Auftref fen auf den Detektor überlagert werden, tritt eine Schwebung, also eine periodische Veränderung der Intensität der detektierten Mischstrahlung, auf . Die Schwebungs frequenz entspricht der Di f ferenz frequenz , also dem Unterschied zwischen der Frequenz der reflektierten ersten Laserstrahlung und der Frequenz der zweiten Laserstrahlung . Die Di f ferenz frequenz kann über eine Fourier-Trans formation bestimmt werden . Die Schwebungs frequenz ist proportional zum Laufwegunterschied zwischen der reflektierten ersten Laserstrahlung und der zweiten Laserstrahlung . Aus diesem Laufwegunterschied kann die Entfernung des Objekts vom Lasersystem bestimmt werden.

Somit kann gleichzeitig oder beinahe gleichzeitig die Entfernung zwischen dem Lasersystem und dem Objekt auf zwei verschiedene Arten bestimmt werden. Das bedeutet, es ist eine redundante Messung der Entfernung möglich, was die Sicherheit erhöht. Außerdem kann die redundante Messung für eine interne Funktionsprüfung verwendet werden. Allerdings funktioniert die Bestimmung der Entfernung zwischen dem Lasersystem und dem Objekt über die Messung einer einzigen Schwebungsfrequenz nur für Objekte, welche sich nicht relativ in Bezug auf das Lasersystem bewegen.

Des Weiteren ermöglicht die Bestimmung der Schwebungsfrequenz, dass die Relativgeschwindigkeit des Objekts, an welchem die erste Laserstrahlung reflektiert wurde, in Bezug auf das Lasersystem bestimmt wird. Die Entfernung dieses Objekts vom Lasersystem ist bereits aus der Entfernungsmessung mit der reflektierten ersten Laserstrahlung mit veränderter Intensität bekannt. Die Differenzfrequenz zwischen der detektierten reflektierten ersten Laserstrahlung und der detektierten zweiten Laserstrahlung, also die Schwebungsfrequenz, setzt sich zusammen aus dem Beitrag, der sich aus der Laufzeitdifferenz zwischen der reflektierten ersten Strahlung und der zweiten Laserstrahlung ergibt und der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Lasersystem und dem Objekt aufgrund des Dopplereffekts. Da hier die Entfernung zwischen dem Lasersystem und dem Objekt bereits bekannt ist, ist die Relativgeschwindigkeit die einzige Unbekannte und kann somit aus der Differenzfrequenz bestimmt werden. Das bedeutet, die Relativgeschwindigkeit entspricht der Differenz zwischen der detektieren Di f ferenz frequenz und der Di f ferenz frequenz , welche auf treten würde , wenn sich das Obj ekt in der bestimmten Entfernung am Lasersystem befinden und nicht relativ zum Lasersystem bewegen würde .

Somit können in nur einer Messung vorteilhafterweise die Entfernung des Obj ekts vom Lasersystem und dessen Relativgeschwindigkeit bestimmt werden . Das bedeutet , dass das Lasersystem ef fi zient betrieben werden kann . Außerdem werden dafür vorteilhafterweise nur ein Laser und ein Detektor benötigt . Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Fehler eigenständig detektiert werden können und durch Wiederholungsmessungen korrigiert werden können . So ist beispielsweise im Straßenverkehr nur ein begrenzter Bereich an Relativgeschwindigkeiten plausibel . Wird eine unplausible Relativgeschwindigkeit ermittelt , so kann dies als Fehler eingestuft werden . In diesem Fall kann die Messung wiederholt werden . Somit weist das Lasersystem eine Funktionskontrolle auf , was die Sicherheit erhöht .

Das hier beschriebene Lasersystem weist insbesondere Vorteile gegenüber üblichen FMCW ( Frequency Modulated Coninuous Wave Light ) Systemen auf . In diesen Systemen ist zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit eine zweite Messung erforderlich, was die erforderliche Messdauer erhöht . Falls zwei Obj ekte gleichzeitig beleuchtet werden, ist außerdem eine dritte Messung nötig, um die Entfernungen und Relativgeschwindigkeiten eindeutig zuzuordnen . Im Vergleich dazu wird bei dem hier beschriebenen Lasersystem in den meisten Fällen nur eine Messung benötigt . Somit ist die Messdauer insgesamt wesentlich kürzer . Das bedeutet , dass das Lasersystem ef fi zient betrieben werden kann . Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, weist der Detektor einen Frequenz filter auf . Bei dem Frequenz filter kann es sich um einen Bandpass filter handeln . Der Frequenz filter kann derart angeordnet sein, dass auf den Detektor tref fende elektromagnetische Strahlung vor der Detektion durch den Detektor auf den Frequenz filter tri f ft . Der Frequenz filter kann einem Detektionsbereich des Detektors vorgeschaltet sein . Der Frequenz filter kann für elektromagnetische Strahlung mit Frequenzen, welche sich deutlich von den Frequenzen der ersten Laserstrahlung und der zweiten Laserstrahlung unterscheiden, weniger durchlässig sein als für die erste Laserstrahlung und die zweite Laserstrahlung . Dadurch kann aus der auf den Detektor auf tref f enden Strahlung Hintergrundstrahlung zumindest teilweise herausgefiltert werden . Dies erhöht die Genauigkeit der Messung des Lasersystems .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, weist der Detektor zwei Teilbereiche auf , wobei j eder Teilbereich dazu eingerichtet ist zumindest einen Teil der ersten Laserstrahlung, die an dem Obj ekt reflektiert wurde , und zumindest einen Teil der zweiten Laserstrahlung zu detektieren . Bei den zwei Teilbereichen kann es sich um di f f erenzielle Detektoren handeln . Das von einem der Teilbereiche detektierte Signal kann von dem Signal , das der andere der zwei Teilbereiche detektiert , abgezogen werden . Dadurch wird Hintergrundstrahlung aus der Umgebung des Lasersystems , also elektromagnetische Strahlung mit einer kleinen Frequenz , eliminiert . Dies erhöht die Genauigkeit der Messung des Lasersystems . Den zwei Teilbereichen ist ein Strahlteiler vorgeschaltet . Bei den zwei Teilbereichen kann es sich j eweils um eine AG-gekoppelte Photodiode handeln . Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, ist das Modulationsmodul dazu ausgelegt die Intensität der ersten Laserstrahlung für die Dauer des ersten Zeitintervalls höchstens um einen Faktor von 10000 im Vergleich zur Intensität der auf das Modulationsmodul auf tref f enden ersten Laserstrahlung zu ändern . Das bedeutet , das Modulationsmodul ist dazu ausgelegt die Intensität der ersten Laserstrahlung für die Dauer des ersten Zeitintervalls höchstens um einen Faktor von 10000 im Vergleich zur Intensität der auf das Modulationsmodul auf tref f enden ersten Laserstrahlung zu erhöhen oder zu verringern . Somit ist die Intensität der vom Modulationsmodul emittierten ersten Laserstrahlung während des ersten Zeitintervalls höchstens um einen Faktor von 10000 höher als die Intensität der auf das Modulationsmodul auf tref f enden ersten Laserstrahlung . Alternativ ist die Intensität der vom Modulationsmodul emittierten ersten Laserstrahlung während des ersten Zeitintervalls höchstens um einen Faktor von 10000 geringer als die Intensität der auf das Modulationsmodul auf tref f enden ersten Laserstrahlung . Der Messvorgang kann für mehrere aufeinanderfolgende erste Zeitintervalle wiederholt werden . Zwischen den ersten Zeitintervallen ist die Intensität der vom Lasersystem emittierten ersten Laserstrahlung verschieden von 0 . Somit ist das Lasersystem dazu ausgelegt außerhalb des ersten Zeitintervalls kontinuierlich erste Laserstrahlung zu emittieren . Dies ermöglicht die Bestimmung der Relativgeschwindigkeit aus der Überlagerung der reflektierten ersten Laserstrahlung und der zweiten Laserstrahlung .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, ist das Modulationsmodul dazu ausgelegt die Intensität der ersten Laserstrahlung für die Dauer des ersten Zeitintervalls höchstens um einen Faktor von 100000 im Vergleich zur Intensität der auf das Modulationsmodul auf tref f enden ersten Laserstrahlung zu ändern .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, ist das Modulationsmodul dazu ausgelegt die Intensität der ersten Laserstrahlung zu zumindest einigen Zeitpunkten außerhalb des ersten Zeitintervalls zu verringern im Vergleich zur Intensität der ersten Laserstrahlung während der Dauer des ersten Zeitintervalls . Das Modulationsmodul kann dazu ausgelegt sein zu zumindest einigen Zeitpunkten außerhalb des ersten Zeitintervalls einen Teil der auf das Modulationsmodul auf tref f enden ersten Laserstrahlung zu absorbieren . Damit ist die Intensität der ersten Laserstrahlung, welche zu diesen Zeitpunkten außerhalb des ersten Zeitintervalls aus dem Modulationsmodul austritt verringert im Vergleich zur Intensität der auf das Modulationsmodul auf tref f enden ersten Laserstrahlung . Das Modulationsmodul ist weiter dazu ausgelegt während des ersten Zeitintervalls einen geringeren Anteil der ersten Laserstrahlung zu absorbieren als zu zumindest einigen Zeitpunkten außerhalb des ersten Zeitintervalls . Somit ist die Intensität der ersten Laserstrahlung, welche während des ersten Zeitintervalls aus dem Modulationsmodul austritt höher als die Intensität der ersten Laserstrahlung, welche zu zumindest einigen Zeitpunkten außerhalb des ersten Zeitintervalls aus dem Modulationsmodul austritt . Somit ist die Intensität der aus dem Modulationsmodul austretenden ersten Laserstrahlung während des ersten Zeitintervalls pulsartig erhöht im Vergleich zu zumindest einigen Zeitpunkten außerhalb des ersten Zeitintervalls . Damit ist auch die Intensität der reflektierten ersten Laserstrahlung in einem Zeitintervall pulsartig erhöht . Aus der Lauf zeit der ersten Laserstrahlung mit erhöhter Intensität kann vorteilhafterweise die Entfernung des Obj ekts vom Lasersystem bestimmt werden .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, ist das Modulationsmodul dazu ausgelegt die Intensität der ersten Laserstrahlung für die Dauer des ersten Zeitintervalls zu erhöhen im Vergleich zur Intensität der auf das Modulationsmodul auf tref f enden ersten Laserstrahlung . Das kann bedeuten, dass das Modulationsmodul dazu ausgelegt ist die Intensität der ersten Laserstrahlung für die Dauer des ersten Zeitintervalls zu verstärken im Vergleich zur Intensität der auf das Modulationsmodul auf tref f enden ersten Laserstrahlung . Hierfür kann das Modulationsmodul einen Verstärker aufweisen, welcher dazu ausgelegt ist die Intensität der ersten Laserstrahlung für die Dauer des ersten Zeitintervalls zu verstärken . Somit wird auf eine andere Art und Weise erreicht , dass die Intensität der ersten Laserstrahlung während des ersten Zeitintervalls pulsartig erhöht ist .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, weist das Modulationsmodul einen elektrooptischen Modulator auf . Der elektrooptische Modulator kann dazu ausgelegt sein zu zumindest einigen Zeitpunkten außerhalb des ersten Zeitintervalls mindestens 40 % der ersten Laserstrahlung zu absorbieren . Der elektrooptische Modulator kann dazu ausgelegt sein zu zumindest einigen Zeitpunkten außerhalb des ersten Zeitintervalls mindestens 50 % und bevorzugt mindestens 90 % der ersten Laserstrahlung zu absorbieren . Weiter kann der elektrooptische Modulator dazu ausgelegt sein während des ersten Zeitintervalls höchstens 20 % oder höchstens 10 % der ersten Laserstrahlung zu absorbieren . Bei dem elektrooptischen Modulator kann es sich um einen Mach-Zehnder-Modulator oder um einen absorbierenden elektrooptischer Modulator handeln . Mit dem elektrooptischen Modulator lässt sich vorteilhafterweise die Form der pulsartig erhöhten Intensität der ersten Laserstrahlung gut kontrollieren . Dem elektrooptischen Modulator kann ein Verstärker nachgeordnet sein .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, weist das Modulationsmodul einen Verstärker auf . Der Verstärker kann dazu ausgelegt sein die Intensität der ersten Laserstrahlung für die Dauer des ersten Zeitintervalls zu verstärken im Vergleich zur Intensität der auf das Modulationsmodul auf tref f enden ersten Laserstrahlung . Bei dem Verstärker kann es sich um einen gepulst gepumpten Verstärker handeln, das heißt um einen Verstärker, der zumindest durch einen gepulsten Pumplaser angeregt wird .

Dabei wird die auf den Verstärker auftref fende erste Laserstrahlung während des Pumppulses verstärkt . Bei der Verwendung eines Verstärkers kann das Lasersystem insgesamt weniger Komponenten aufweisen als bei der Verwendung eines elektrooptischen Modulators , da bei der Verwendung eines elektrooptischen Modulators in den meisten Fällen auch ein Verstärker benötigt wird . Somit kann das Lasersystem mit einem Verstärker vorteilhafterweise eine geringere Größe aufweisen .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, weist das Lasersystem einen Sensor zur Detektion der vom Verstärker emittierten Laserstrahlung auf . Der Sensor kann somit dem Verstärker nachgeordnet sein . Der Sensor kann eine Monitor-Detektordiode aufweisen . Somit kann überprüft werden, wie hoch die Leistung der vom Verstärker emittierten Laserstrahlung ist . Für den Fall , dass die Leistung höher als ein erlaubter oder vorgebbarer Grenzwert ist , kann die Leistung der vom Verstärker emittierten Laserstrahlung reduziert werden . Der erlaubte Grenzwert kann sich danach richten, welche Leistung im Straßenverkehr oder welche Leistung für Menschen maximal erlaubt ist . Somit können Menschen in der Umgebung des Lasersystems vor zu hoher oder schädlicher Leistung der emittierten Laserstrahlung geschützt werden .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, weist das Lasersystem einen Wellenleiter zur Führung der ersten Laserstrahlung auf , wobei der Wellenleiter mindestens 50 cm lang ist . Bei dem Wellenleiter kann es sich um eine Verzögerungsleitung oder um eine Faserwicklung handeln . Der Wellenleiter kann in einen photonischen integrierten Schaltkreis integriert sein . Das Lasersystem weist den Wellenleiter auf , um die Strecke , welche die erste Laserstrahlung zwischen dem Strahlteiler und dem Detektor zurücklegt , zu verlängern . Dies ermöglicht auch die Detektion von Obj ekten, welche nur eine geringe Entfernung zum Lasersystem aufweisen . So ist die Di f ferenz frequenz zwischen der reflektierten ersten Laserstrahlung und der zweiten Laserstrahlung für sehr kurze Entfernungen zum Obj ekt sehr klein . Das bedeutet , dass die Schwebungsperiode relativ groß ist . Um eine verlässliche Entfernungsmessung zu ermöglichen, ist es nötig, dass das erste Zeitintervall mindestens so lang ist wie eine Schwebungsperiode . Somit werden für kurze Entfernungen zum Obj ekt längere erste Zeitintervalle benötigt . Die Präzision der Entfernungsmessung ist j edoch umso größer, j e kürzer das erste Zeitintervall ist . Durch die Verwendung des Wellenleiters wird die Lauf zeit der reflektierten ersten Laserstrahlung erhöht . Dies führt dazu, dass die Di f ferenz frequenz größer und somit die Schwebungsperiode kleiner ist . Somit kann für diesen Fall das erste Zeitintervall kürzer sein, was die Präzision der Entfernungsmessung vorteilhafterweise erhöht . Eine weitere Möglichkeit zur Vergrößerung der Di f ferenz frequenz ist die Erhöhung des Frequenzhubs des Lasers .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, ändert sich die Frequenz der vom Laser emittierten Laserstrahlung während des zweiten Zeitintervalls linear mit der Zeit . Die Frequenz der vom Laser emittierten Laserstrahlung kann während des zweiten Zeitintervalls linear ansteigen oder abfallen . Ein solcher Anstieg oder Abfall wird oft als Chirp bezeichnet . Die Änderung der Frequenz der vom Laser emittierten Laserstrahlung ermöglicht die Detektion einer Schwebungs frequenz , aus welcher die Relativgeschwindigkeit des Obj ekts bestimmt werden kann .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, ändert sich die Frequenz der vom Laser emittierten Laserstrahlung während des zweiten Zeitintervalls insgesamt um mindestens 500 MHz . Das bedeutet , die Frequenz der vom Laser emittierten Laserstrahlung zu Beginn des zweiten Zeitintervalls unterscheidet sich um mindestens 500 MHz von der Frequenz der vom Laser emittierten Laserstrahlung am Ende des zweiten Zeitintervalls . Dies ermöglicht genügend große Di f ferenz frequenzen, was eine Entfernungsmessung mit großer Präzision ermöglicht . Bevorzugt ändert sich die Frequenz der vom Laser emittierten Laserstrahlung während des zweiten Zeitintervalls insgesamt um mindestens 1 GHz , besonders bevorzugt um mindestens 2 GHz oder um mindestens 5 GHz . Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, beträgt die Dauer des ersten Zeitintervalls mindestens 1 ns und höchstens 200 ns . Für die Messung kurzer Entfernungen kann die Dauer des ersten Zeitintervalls länger als für die Messung längerer Entfernungen sein . Bevorzugt beträgt die Dauer des ersten Zeitintervalls mindestens 2 ns oder mindestens 10 ns . Die Dauer des ersten Zeitintervalls beträgt beispielsweise höchstens 100 ns .

Die Dauer des ersten Zeitintervalls kann an die erwartete Entfernung des Obj ekts angepasst sein . Wird eine größere Entfernung zum Obj ekt erwartet , so kann das erste Zeitintervall kürzer sein . Wird eine kürzere Entfernung zum Obj ekt erwartet , so kann das erste Zeitintervall länger sein . Somit kann die Länge des ersten Zeitintervalls für verschiedene Messungen unterschiedlich sein . Die Leistung der ersten Laserstrahlung im ersten Zeitintervall kann an die Länge des ersten Zeitintervalls angepasst sein . So kann die Leistung bei kürzeren ersten Zeitintervallen höher sein als bei längeren ersten Zeitintervallen . Somit wird die gesamte Leistung auf einen erlaubten oder vorgebbaren Grenzwert begrenzt . Bei höheren Leistungen der ersten Laserstrahlung ist die Reichweite der Entfernungsmessungen erhöht .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Lasersystems zur Entfernungsmessung, beträgt die Dauer des zweiten Zeitintervalls mindestens 1 ps und höchstens 100 ps . Die Dauer des zweiten Zeitintervalls sollte länger als die erwartete Lauf zeit der ersten Laserstrahlung zum Obj ekt und zum Lasersystem zurück sein . Erst nach dieser Lauf zeit kann eine Schwebung gemessen werden . Dafür muss zu diesem Zeitpunkt das zweite Zeitintervall noch andauern, damit die Schwebung entsteht . Außerdem sollte das zweite Zeitintervall nicht sofort mit dem Auftref fen der reflektierten ersten Laserstrahlung auf den Detektor enden, sondern es sollte noch Zeit verbleiben zur Messung der Schwebungs frequenz . Aus diesen Anforderungen ergibt sich, dass die Dauer des zweiten Zeitintervalls mindestens 1 ps und höchstens 100 ps beträgt . Eine typische Lauf zeit für die erste Laserstrahlung zum Obj ekt und zum Lasersystem zurück beträgt etwa 2 ps . So kann das zweite Zeitintervall mindestens 2 ps und höchstens 20 ps betragen . Das bedeutet , dass eine Messung der Entfernung zum Obj ekt und der Relativgeschwindigkeit des Obj ekts bereits in wenigen Mikrosekunden möglich ist .

Es wird ferner ein Verfahren zur Entfernungsmessung angegeben . Das Lasersystem zur Entfernungsmessung ist bevorzugt in einem hier beschriebenen Verfahren verwendbar . Außerdem wird zur Durchführung des Verfahrens zur Entfernungsmessung bevorzugt ein hier beschriebenes Lasersystem verwendet . Mit anderen Worten, sämtliche für das Lasersystem of fenbarte Merkmale sind auch für das Verfahren zur Entfernungsmessung of fenbart und umgekehrt .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zur Entfernungsmessung umfasst das Verfahren einen Verfahrensschritt , bei dem kontinuierlich Laserstrahlung durch einen Laser emittiert wird . Das Lasersystem umfasst den Laser .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zur Entfernungsmessung umfasst das Verfahren einen Verfahrensschritt , bei dem die vom Laser emittierte Laserstrahlung in eine erste Laserstrahlung und eine zweite Laserstrahlung aufgeteilt wird, wobei die erste Laserstrahlung und die zweite Laserstrahlung j eweils einen Anteil der vom Laser emittierten Laserstrahlung umfassen . Die vom Laser emittierte Laserstrahlung kann über einen Strahlteiler in die erste Laserstrahlung und die zweite Laserstrahlung aufgeteilt werden .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zur Entfernungsmessung umfasst das Verfahren einen Verfahrensschritt , bei dem die Intensität der ersten Laserstrahlung für die Dauer eines ersten Zeitintervalls geändert wird . Die Intensität der ersten Laserstrahlung kann durch ein Modulationsmodul während des ersten Zeitintervalls geändert werden .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zur Entfernungsmessung umfasst das Verfahren einen Verfahrensschritt , bei dem zumindest ein Teil der ersten Laserstrahlung, die an einem Obj ekt reflektiert wurde , und zumindest ein Teil der zweiten Laserstrahlung mit einem Detektor detektiert wird . Das Obj ekt ist außerhalb des Lasersystems angeordnet . Das Lasersystem umfasst den Detektor .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zur Entfernungsmessung ändert sich die Frequenz der vom Laser emittierten Laserstrahlung zumindest während eines zweiten Zeitintervalls .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zur Entfernungsmessung umfasst das Verfahren die Schritte kontinuierliches Emittieren von Laserstrahlung durch einen Laser, Aufteilen der vom Laser emittierten Laserstrahlung in eine erste Laserstrahlung und eine zweite Laserstrahlung, wobei die erste Laserstrahlung und die zweite Laserstrahlung j eweils einen Anteil der vom Laser emittierten Laserstrahlung umfassen, Ändern der Intensität der ersten Laserstrahlung für die Dauer eines ersten Zeitintervalls , und Detektieren zumindest eines Teils der ersten Laserstrahlung, die an einem Obj ekt reflektiert wurde , und zumindest eines Teils der zweiten Laserstrahlung mit einem Detektor, wobei sich die Frequenz der vom Laser emittierten Laserstrahlung zumindest während eines zweiten Zeitintervalls ändert .

Das Verfahren zur Entfernungsmessen hat unter anderem den Vorteil , dass wie für das Lasersystem beschrieben gleichzeitig eine Entfernung zu einem Obj ekt in der Umgebung des Lasersystems und dessen Relativgeschwindigkeit in Bezug auf das Lasersystem bestimmt werden können .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens werden zu zumindest einigen Zeitpunkten außerhalb des ersten Zeitintervalls mindestens 40 % der ersten Laserstrahlung von einem elektrooptischen Modulator absorbiert und während des ersten Zeitintervalls werden höchstens 10 % der ersten Laserstrahlung vom elektrooptischen Modulator absorbiert . Das Lasersystem umfasst den elektrooptischen Modulator . Während des ersten Zeitintervalls ist somit die Absorption des elektrooptischen Modulators geringer als zu zumindest einigen Zeitpunkten außerhalb des ersten Zeitintervalls . Somit wird erreicht , dass die Intensität der ersten Laserstrahlung, welche vom Modulationsmodul mit dem elektrooptischen Modulator emittiert wird, während des ersten Zeitintervalls pulsartig erhöht ist im Vergleich zur Intensität der ersten Laserstrahlung, welche auf das Modulationsmodul auftri f ft . Mit dieser pulsartig erhöhten Intensität ist es möglich, die Entfernung des Obj ekts zum Lasersystem zu bestimmen .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens wird die Intensität der ersten Laserstrahlung während des ersten Zeitintervalls durch einen Verstärker erhöht im Vergleich zur Intensität der ersten Laserstrahlung zu zumindest einigen Zeitpunkten außerhalb des ersten Zeitintervalls . Das bedeutet , dass die Intensität der ersten Laserstrahlung während des ersten Zeitintervalls durch den Verstärker im Vergleich zur Intensität der auf den Verstärker auf tref f enden ersten Laserstrahlung erhöht wird . Auch hierdurch wird die Intensität der ersten Laserstrahlung im ersten Zeitintervall pulsartig erhöht .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens wird die Entfernung des Obj ekts vom Detektor aus der Lauf zeit der ersten Laserstrahlung mit der geänderten Intensität über das Obj ekt zum Detektor bestimmt . Das vom Detektor detektierte Signal ist proportional zu Dabei ist P _R die Leistung der auf den Detektor tref fenden zweiten Laserstrahlung, P ( t ) ist die zeitabhängige vom Detektor detektierte reflektierte erste Laserstrahlung und Aw ist die Di f ferenz frequenz . Über eine Bestimmung der Einhüllenden des vom Detektor detektierten Signals kann der Zeitpunkt des Eintref fens der reflektierten ersten Laserstrahlung mit geänderter Intensität bestimmt werden . Aus dem zeitlichen Unterschied zwischen dem Beginn des ersten Zeitintervalls und dem Eintref fen der reflektierten ersten Laserstrahlung mit geänderter Intensität kann die Lauf zeit vom Lasersystem zum Obj ekt und zurück bestimmt werden . Mit der Lichtgeschwindigkeit kann daraus die Entfernung des Obj ekts vom Lasersystem bestimmt werden . Es ist weiter möglich, die Entfernung des Obj ekts vom Lasersystem aus der Lauf zeit der ersten Laserstrahlung mit der geänderten Intensität über das Obj ekt zum Lasersystem oder zum Detektor zu bestimmen .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens wird eine Geschwindigkeit des Obj ekts relativ zum Detektor aus der bestimmten Entfernung und aus dem Unterschied zwischen der Frequenz der zweiten Laserstrahlung und der Frequenz der am Obj ekt reflektierten ersten Laserstrahlung bestimmt für erste Laserstrahlung und zweite Laserstrahlung, welche gleichzeitig zu einem Zeitpunkt außerhalb des ersten Zeitintervalls auf den Detektor auftref fen . Wie oben beschrieben wird die Geschwindigkeit des Obj ekts relativ zum Detektor oder relativ zum Lasersystem aus der gemessenen Schwebungs frequenz bestimmt . Dazu wird das Signal , das der Detektor detektiert , auf gezeichnet und mit einer Fourier-Trans formation des Signals wird die Schwebungs frequenz bestimmt . Die Schwebungs frequenz kann nach dem Auftref fen der reflektierten ersten Laserstrahlung mit geänderter Intensität auf den Detektor gemessen werden . Es ist vorteilhaft , das erste Zeitintervall am Anfang des zweiten Intervalls oder nahe des Anfangs des zweiten Zeitintervalls vorzusehen . Somit verbleibt nach der Detektion der reflektierten ersten Laserstrahlung mit geänderter Intensität genügend Zeit des zweiten Zeitintervalls , um die Schwebungs frequenz mit einer ausreichenden Genauigkeit zu messen . Vorteilhafterweise beeinflusst Hintergrundstrahlung die Schwebungs frequenz nicht , da Hintergrundstrahlung in der Regel nicht kohärent zur emittierten Laserstrahlung ist und somit nicht zur Schwebung beiträgt . Da das Lasersystem den Detektor umfasst , ist es hier und im Folgenden j eweils möglich die Entfernung zwischen dem Lasersystem und dem Obj ekt und die Entfernung zwischen dem Detektor und dem Obj ekt zu bestimmen . Weiter ist es möglich die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Lasersystem und dem Obj ekt und die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Detektor und dem Obj ekt zu bestimmen, da beide Relativgeschwindigkeiten gleich sind .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens wird die Entfernung des Obj ekts vom Detektor aus dem Unterschied zwischen der Frequenz der zweiten Laserstrahlung und der Frequenz der am Obj ekt reflektierten ersten Laserstrahlung bestimmt für erste Laserstrahlung und zweite Laserstrahlung, welche gleichzeitig zu einem Zeitpunkt außerhalb des ersten Zeitintervalls auf den Detektor auftref fen . In diesem Fall erfolgt die Bestimmung der Entfernung wie oben beschrieben über die Schwebungs frequenz für den Fall , dass sich das Obj ekt nicht relativ zum Detektor bewegt .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens nimmt die Frequenz der vom Laser emittierten Laserstrahlung während des zweiten Zeitintervalls linear mit der Zeit zu und die Frequenz der vom Laser emittierten Laserstrahlung nimmt während eines dritten Zeitintervalls linear mit der Zeit ab . Alternativ ist es möglich, dass die Frequenz der vom Laser emittierten Laserstrahlung während des zweiten Zeitintervalls linear mit der Zeit abnimmt und die Frequenz der vom Laser emittierten Laserstrahlung während des dritten Zeitintervalls linear mit der Zeit zunimmt . Das dritte Zeitintervall kann direkt nach dem Ende des zweiten Zeitintervalls starten . Die Entfernung des Obj ekts vom Detektor kann für das zweite Zeitintervall und für das dritte Zeitintervall aus der Schwebungs frequenz bestimmt werden . Das bedeutet , es werden zwei Di f ferenz frequenzen bestimmt . Bewegt sich das Obj ekt relativ zum Detektor, so ergibt sich die Relativgeschwindigkeit des Obj ekts aus der Di f ferenz der beiden bestimmten Di f ferenz frequenzen . Die Entfernung des Obj ekts vom Detektor kann aus dem Mittelwert der beiden Di f ferenz frequenzen bestimmt werden . Es ist weiter möglich, eine Messung während des dritten Zeitintervalls dazu zu nutzen, verschiedene gemessene Entfernungen und Relativgeschwindigkeiten verschiedenen Obj ekten in der Umgebung des Detektors zuzuordnen . Wird die erste Laserstrahlung an zwei oder mehr Obj ekten in der Umgebung des Detektors reflektiert , so können aus der reflektierten ersten Laserstrahlung mit erhöhter Intensität die verschiedenen Entfernungen bestimmt werden und es werden verschiedene Di f ferenz frequenzen gemessen . In vielen Fällen ist eine Zuordnung der gemessenen Entfernungen zu den j eweiligen gemessenen Relativgeschwindigkeiten aus Plausibilitätsgründen möglich . So können beispielsweise im Straßenverkehr bestimmte Entfernungen und bestimmte Geschwindigkeiten ausgeschlossen werden . Falls eine Zuordnung nicht eindeutig möglich ist , beispielsweise bei zwei Obj ekten, welche sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, kann dies über eine Messung während des dritten Zeitintervalls erfolgen . Dabei werden die Entfernungen und Relativgeschwindigkeiten wie oben beschrieben für das dritte Zeitintervall bestimmt .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens starten das erste Zeitintervall und das zweite Zeitintervall gleichzeitig oder das erste Zeitintervall startet höchstens 200 ns nach dem zweiten Zeitintervall . Das bedeutet , dass das vom Detektor detektierte Signal zu Beginn der gemessenen Schwebung eine veränderte Intensität aufweist im Vergleich zum übrigen zweiten Zeitintervall . Dies hat den Vorteil , dass die gesamte verbleibende Dauer des zweiten Zeitintervalls nach der Detektion der reflektierten ersten Laserstrahlung mit veränderter Intensität für die Messung der Schwebungs frequenz verbleibt . Dies ermöglicht eine genaue Bestimmung der Schwebungs frequenz , was die Präzision der Messung der Relativgeschwindigkeit erhöht . Die Zeit , in welcher die reflektierte erste Laserstrahlung mit veränderter Intensität detektiert wird, kann nicht für die Messung der Schwebungs frequenz verwendet werden . Vorteilhafterweise markiert somit das Ende des Pulses mit veränderter Intensität im detektierten Signal den Beginn der Messung der Schwebungs frequenz .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens wird mit dem Verfahren eine Viel zahl von Punkten abgerastert . Mit dem Verfahren kann eine Viel zahl von Punkten oder Bereichen in der Umgebung des Lasersystems abgetastet werden . Das bedeutet , dass für eine Viel zahl von Punkten oder Bereichen in der Umgebung des Lasersystems die Entfernung von einem oder mehreren Obj ekten an diesen Punkten oder in diesen Bereichen und deren Relativgeschwindigkeiten bestimmt werden . Die Messungen für die einzelnen Punkte oder Bereiche können nacheinander durchgeführt werden . Somit kann vorteilhafterweise ein dreidimensionales Bild der Umgebung des Lasersystems ermittelt werden .

Im Folgenden werden das hier beschriebene Lasersystem und das hier beschriebene Verfahren zur Entfernungsmessung in Verbindung mit Aus führungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert .

Figur 1 zeigt eine Anordnung zur Entfernungsmessung .

Figur 2 zeigt ein Lasersystem gemäß einem Aus führungsbeispiel . Figur 3 zeigt einen Lasersystem gemäß einem weiteren Aus führungsbeispiel .

Mit den Figuren 4 , 5 , 6 , 7 und 8 ist ein Aus führungsbeispiel des Verfahrens zur Entfernungsmessung beschrieben .

Gleiche , gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugs zeichen versehen . Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten . Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein .

In Figur 1 ist eine Anordnung zur Entfernungsmessung gezeigt , welche kein Aus führungsbeispiel ist . Die Anordnung weist einen Laser 21 auf . Der Laser 21 ist dazu ausgelegt im Betrieb Laserstrahlung zu emittieren . Die Laserstrahlung ist durch eine Linie dargestellt . Die Anordnung weist weiter einen Strahlteiler 22 auf . Der Strahlteiler 22 teilt die auftref fende Laserstrahlung in erste Laserstrahlung LI , welche sich in die gleiche Richtung wie vor dem Strahlteiler 22 weiter ausbreitet , und zweite Laserstrahlung L2 auf , welche in Richtung eines Detektors 24 gelenkt wird . Die erste Laserstrahlung LI passiert ein optisches Element 28 , wird an einem Obj ekt 29 reflektiert und gelangt durch das optische Element 28 zum Detektor 24 . Das optische Element 28 kann rotiert werden, was mit einem Pfeil dargestellt ist . Somit kann die erste Laserstrahlung LI auf verschiedene Punkte oder Bereiche in der Umgebung der Anordnung gelenkt werden . Uber eine Lauf zeitmessung kann die Entfernung des Obj ekts 29 vom Detektor 24 bestimmt werden . Wird das optische Element 28 rotiert , so können die Entfernungen zu verschiedenen Obj ekten in der Umgebung der Anordnung bestimmt werden .

In Figur 2 ist ein Lasersystem 20 zur Entfernungsmessung gemäß einem Aus führungsbeispiel gezeigt . Das Lasersystem 20 umfasst einen Laser 21 . Der Laser 21 ist dazu ausgelegt kontinuierlich Laserstrahlung zu emittieren, deren Frequenz sich zumindest während eines zweiten Zeitintervalls Z2 ändert . Das Lasersystem 20 umfasst weiter einen Strahlteiler 22 , der dazu ausgelegt ist vom Laser 21 emittierte Laserstrahlung in eine erste Laserstrahlung LI und eine zweite Laserstrahlung L2 auf zuteilen . Die erste Laserstrahlung LI und die zweite Laserstrahlung L2 umfassen j eweils einen Anteil der vom Laser 21 emittierten Laserstrahlung . Zwischen dem Laser 21 und dem Strahlteiler 22 ist ein Wellenleiter 27 angeordnet , in welchem die emittierte Laserstrahlung geführt wird .

Das Lasersystem 20 umfasst weiter ein Modulationsmodul 23 , das dazu ausgelegt ist die Intensität der ersten Laserstrahlung LI für die Dauer eines ersten Zeitintervalls Z I zu ändern . Das Modulationsmodul 23 ist dazu ausgelegt die Intensität der ersten Laserstrahlung LI für die Dauer des ersten Zeitintervalls Z I höchstens um einen Faktor von 10000 im Vergleich zur Intensität der auf das Modulationsmodul 23 auf tref f enden ersten Laserstrahlung LI zu ändern . Dies wird dadurch erreicht , dass das Modulationsmodul 23 dazu ausgelegt ist die Intensität der ersten Laserstrahlung LI zu zumindest einigen Zeitpunkten außerhalb des ersten Zeitintervalls Z I zu verringern im Vergleich zur Intensität der ersten Laserstrahlung LI während der Dauer des ersten Zeitintervalls Z I . Das Modulationsmodul 23 ist über einen Wellenleiter 27 mit dem Strahlteiler 22 verbunden . Somit ist der Strahlteiler 22 zwischen dem Laser 21 und dem Modulationsmodul 23 angeordnet . Das Modulationsmodul 23 weist einen elektrooptischen Modulator 25 auf .

Zwischen dem Strahlteiler 22 und dem Modulationsmodul 23 ist optional ein optischer I solator 30 angeordnet . Der optische I solator 30 kann einen Faraday-Filter aufweisen . Somit wird eine Rückkopplung von Strahlung in den Laser 21 vermieden .

Das Lasersystem 20 weist weiter einen Wellenleiter 27 zur Führung der ersten Laserstrahlung LI auf , wobei der Wellenleiter 27 mindestens 50 cm lang ist . Somit handelt es sich bei dem Wellenleiter 27 um eine Verzögerungsleitung . Der Wellenleiter 27 ist mit einem Ausgang 31 des Modulationsmoduls 23 verbunden .

Das Lasersystem 20 weist weiter einen Verstärker 26 auf . Der Verstärker 26 ist mit dem Wellenleiter 27 , der eine Verzögerungsleitung ist , verbunden . Der Verstärker 26 ist dazu ausgelegt die Intensität der ersten Laserstrahlung LI zeitlich konstant zu verstärken . Bei dem Verstärker 26 kann es sich um einen kontinuierlich gepumpten Verstärker handeln . Vorteilhafterweise ist die Verzögerungsleitung somit vor dem Verstärker 26 angeordnet . Damit werden die absoluten Leistungsverluste minimiert .

Die Positionen des Modulationsmoduls 23 und des Wellenleiters 27 , welcher die Verzögerungsleitung ist , können vertauscht sein . Das Lasersystem 20 weist weiter ein optisches Element 28 wie in Figur 1 gezeigt auf . Nach dem Passieren des optischen Elements 28 tritt die erste Laserstrahlung LI aus dem Lasersystem 20 aus . Die erste Laserstrahlung LI propagiert bis zu einem Obj ekt 29 und wird an diesem reflektiert . Die reflektierte erste Laserstrahlung LI tritt über das optische Element 28 wieder in das Lasersystem 20 ein .

Das Lasersystem 20 weist weiter einen Detektor 24 auf . Die zweite Laserstrahlung L2 wird durch den Strahlteiler 22 in Richtung des Detektors 24 gelenkt . Die reflektierte erste Laserstrahlung LI wird durch das optische Element 28 in Richtung des Detektors 24 gelenkt . Der Detektor 24 ist dazu eingerichtet zumindest einen Teil der ersten Laserstrahlung LI , die an dem Obj ekt 29 reflektiert wurde und zumindest einen Teil der zweiten Laserstrahlung L2 zu detektieren . Der Detektor 24 ist dazu eingerichtet eine Überlagerung der reflektierten ersten Laserstrahlung LI und der zweiten Laserstrahlung L2 zu detektieren .

In Figur 3 ist ein weiteres Aus führungsbeispiel des Lasersystems 20 gezeigt . Im Unterschied zu dem in Figur 2 gezeigten Aus führungsbeispiel weist das Modulationsmodul 23 den Verstärker 26 , einen gepulsten Pumplaser, auf . Der optische I solator 30 ist zwischen dem Strahlteiler 22 und dem Wellenleiter 27 , der die Verzögerungsleitung ist , angeordnet . Das Modulationsmodul 23 ist zwischen diesem Wellenleiter 27 und dem optischen Element 28 angeordnet . Das Modulationsmodul 23 ist dazu ausgelegt die Intensität der ersten Laserstrahlung LI für die Dauer des ersten Zeitintervalls Z I zu erhöhen im Vergleich zur Intensität der auf das Modulationsmodul 23 auf tref f enden ersten Laserstrahlung LI . Die Verstärkung der Intensität erfolgt durch den Verstärker 26 .

Mit den Figuren 4 , 5 , 6 , 7 und 8 ist ein Aus führungsbeispiel des Verfahrens zur Entfernungsmessung beschrieben .

In Figur 4 sind die Frequenzen zumindest eines Teils der Laserstrahlung, die der Detektor 24 detektiert , über der Zeit aufgetragen . Auf der x-Achse ist die Zeit aufgetragen und auf der y-Achse sind die Frequenzen aufgetragen . Die erste Linie stellt den Frequenzverlauf der auf den Detektor 24 tref fenden zweiten Laserstrahlung L2 dar . Die Frequenz der vom Laser 21 emittierten Laserstrahlung ändert sich während des zweiten Zeitintervalls Z2 linear mit der Zeit . Somit ändert sich auch die Frequenz der vom Detektor 24 detektierten zweiten Laserstrahlung L2 linear mit der Zeit . Die Frequenz der vom Laser 21 emittierten Laserstrahlung kann sich während des zweiten Zeitintervalls Z2 insgesamt um mindestens 500 MHz ändern .

Die zweite Linie stellt den Frequenzverlauf der auf den Detektor 24 auf tref f enden reflektierten ersten Laserstrahlung LI dar . Die erste Laserstrahlung LI mit der niedrigsten Frequenz hat einen weiteren Weg bis zum Detektor 24 zurückgelegt als die zweite Laserstrahlung L2 mit der niedrigsten Frequenz . Somit wird die zweite Laserstrahlung L2 der niedrigsten Frequenz früher detektiert als die erste Laserstrahlung LI mit der niedrigsten Frequenz . Ab einem ersten Zeitpunkt tl wird die zweite Laserstrahlung L2 detektiert . Ab einem zweiten Zeitpunkt t2 , zu welchem der Detektor 24 auch erste Laserstrahlung LI detektiert , weisen die Frequenz der detektierten zweiten Laserstrahlung L2 und die Frequenz der detektierten ersten Laserstrahlung LI eine Di f ferenz auf . Aus dieser Di f ferenz frequenz kann wie oben beschrieben der Abstand des Obj ekts 29 vom Lasersystem 20 oder die Relativgeschwindigkeit des Obj ekts 29 bestimmt werden .

Die Di f ferenz frequenz kann bis zu einem dritten Zeitpunkt t3 bestimmt werden . Der dritte Zeitpunkt t3 ist dadurch gegeben, dass seit dem ersten Zeitpunkt tl die gesamte Dauer des zweiten Zeitintervalls Z2 vergangen ist . Beim dritten Zeitpunkt t3 weist die zweite Laserstrahlung L2 einen Frequenzsprung auf . Ab dem dritten Zeitpunkt t3 ist keine Bestimmung der Di f ferenz frequenz mehr möglich .

Eine zweite Messung ist ab einem vierten Zeitpunkt t4 möglich, zu welchem der Detektor 24 wieder erste Laserstrahlung LI und zweite Laserstrahlung L2 detektiert , welche beide während desselben zweiten Zeitintervalls Z2 vom Laser 21 emittiert wurden . In der zweiten Messung ist die Bestimmung der Di f ferenz frequenz bis zu einem fünften Zeitpunkt t5 möglich, an welchem die detektierte zweite Laserstrahlung L2 wieder einen Frequenzsprung aufweist .

In Figur 5 ist das gleiche Messprinzip wie in Figur 4 gezeigt mit dem Unterschied, dass die Frequenz der vom Laser 21 emittierten Laserstrahlung während des zweiten Zeitintervalls Z2 linear mit der Zeit zunimmt und ohne Frequenzsprung nimmt die Frequenz der vom Laser 21 emittierten Laserstrahlung während eines sich direkt anschließenden dritten Zeitintervalls Z3 linear mit der Zeit ab . Daher nimmt auch die Frequenz der detektierten ersten Laserstrahlung LI und die Frequenz der detektierten zweiten Laserstrahlung L2 zunächst linear zu und anschließend linear ab . Die Di f ferenz frequenz kann auf gleiche Art und Weise wie mit Figur 4 beschrieben zwischen dem zweiten Zeitpunkt t2 und dem dritten Zeitpunkt t3 und zwischen dem vierten Zeitpunkt t4 und dem fünften Zeitpunkt t5 bestimmt werden .

In Figur 6 ist im oberen Diagramm die Intensitätsverteilung der ersten Laserstrahlung LI gezeigt . Dabei ist auf der x- Achse die Zeit aufgetragen und auf der y-Achse ist die Intensität aufgetragen . Im ersten Zeitintervall Z I ist die Intensität der ersten Laserstrahlung LI erhöht im Vergleich zu Zeitpunkten außerhalb des ersten Zeitintervalls Z I . Idealerweise wäre der im oberen Diagramm gezeigte Intensitätspuls rechteckig, in der Realität weist der Intensitätspuls j edoch wie in Figur 6 dargestellt Anstiegsund Abfall zeiten und beliebige Flankenformen auf . Dieser Intensitätspuls wird dadurch erzeugt , dass zu zumindest einigen Zeitpunkten außerhalb des ersten Zeitintervalls Z I mindestens 40 % der ersten Laserstrahlung LI vom elektrooptischen Modulator 25 aus dem Aus führungsbeispiel aus Figur 2 absorbiert werden und während des ersten Zeitintervalls Z I höchstens 10 % der ersten Laserstrahlung LI vom elektrooptischen Modulator 25 absorbiert werden .

Alternativ wird der Intensitätspuls dadurch erzeugt , dass die Intensität der ersten Laserstrahlung LI während des ersten Zeitintervalls Z I durch den Verstärker 26 aus dem Aus führungsbeispiel aus Figur 3 erhöht wird im Vergleich zur Intensität der ersten Laserstrahlung LI zu zumindest einigen Zeitpunkten außerhalb des ersten Zeitintervalls Z I .

Im unteren Diagramm in Figur 6 ist auf der x-Achse die Zeit aufgetragen und auf der y-Achse die Frequenz der ersten Laserstrahlung LI . Die Frequenz der ersten Laserstrahlung LI steigt ab dem Beginn des ersten Zeitintervalls Z I linear mit der Zeit an . Die im oberen Diagramm und im unteren Diagramm gezeigten Zeitachsen zeigen denselben Zeitraum . Der gezeigte zeitliche Ausschnitt ist nur ein Teil des zweiten Zeitintervalls Z2 .

In Figur 7 sind die in Figur 6 gezeigten Signale für einen längeren Zeitraum aufgetragen . So ist im oberen Diagramm auf der x-Achse die Zeit aufgetragen und auf der y-Achse die Intensität der ersten Laserstrahlung LI . Im unteren Diagramm ist auf der x-Achse die Zeit aufgetragen und auf der y-Achse die Frequenz der ersten Laserstrahlung LI . Insgesamt ist ein Zeitraum dargestellt , welcher länger als das zweite Zeitintervall Z2 ist . Die Dauer des ersten Zeitintervalls Z I kann mindestens 1 ns und höchstens 200 ns betragen . Die Dauer des zweiten Zeitintervalls Z2 kann mindestens 1 gs und höchstens 100 gs betragen .

Mit Figur 8 wird ein Aus führungsbeispiel des Verfahrens zur Entfernungsmessung beschrieben . Gemäß dem Verfahren wird durch den Laser 21 kontinuierlich Laserstrahlung emittiert . Die vom Laser 21 emittierte Laserstrahlung wird über einen Strahlteiler 22 in die erste Laserstrahlung LI und die zweite Laserstrahlung L2 aufgeteilt . Die Frequenz der vom Laser 21 emittierten Laserstrahlung ändert sich während des zweiten Zeitintervalls Z2 linear . Der Detektor 24 detektiert zumindest einen Teil der ersten Laserstrahlung LI , die am Obj ekt 29 reflektiert wurde und zumindest einen Teil der zweiten Laserstrahlung L2 . In Figur 8 ist im unteren Diagramm mit der durchgezogenen Linie die Frequenz der vom Lasersystem 20 emittierten ersten Laserstrahlung LI über der Zeit aufgetragen . Dabei ist auf der x-Achse die Zeit aufgetragen und auf der y-Achse die Frequenz der ersten Laserstrahlung LI . Da sich die Frequenz der vom Laser 21 emittierten Laserstrahlung linear mit der Zeit ändert , ändert sich auch die Frequenz der ersten Laserstrahlung LI linear mit der Zeit . Dabei steigt die Frequenz der ersten Laserstrahlung LI während des zweiten Zeitintervalls Z2 von einem Minimalwert bis auf einen Maximalwert an . Am Ende des zweiten Zeitintervalls Z2 gibt es einen Frequenzabfall und die Frequenz der ersten Laserstrahlung LI steigt im direkt darauf folgenden zweiten Zeitintervall Z2 wieder vom Minimalwert bis auf den Maximalwert an . Mit der gestrichelten Linie ist die Frequenz der am Detektor 24 detektierten reflektierten ersten Laserstrahlung LI über der Zeit aufgetragen . Aufgrund der Lauf zeit der ersten Laserstrahlung LI vom Lasersystem 20 zum Obj ekt 29 und zurück zum Lasersystem 20 weist die reflektierte erste Laserstrahlung LI zeitlich versetzt den gleichen Frequenzverlauf auf wie die vom Lasersystem 20 emittierte erste Laserstrahlung LI .

Mit dem oberen Diagramm in Figur 8 ist gezeigt , dass die Intensität der ersten Laserstrahlung LI für die Dauer des ersten Zeitintervalls Z I geändert wird . Im oberen Diagramm ist auf der x-Achse die Zeit aufgetragen und auf der y-Achse die Intensität der ersten Laserstrahlung LI . Mit der durchgezogenen Linie ist die Intensität der vom Lasersystem 20 emittierten ersten Laserstrahlung LI dargestellt . Während des ersten Zeitintervalls Z I ist die Intensität der ersten Laserstrahlung LI wesentlich erhöht im Vergleich zu Zeitpunkten außerhalb des ersten Zeitintervalls Z I . Das erste Zeitintervall Z I und das zweite Zeitintervall Z2 starten dabei gleichzeitig zu einem ersten Zeitpunkt tl . Die in Figur 8 gezeigten Zeitachsen zeigen denselben Zeitraum .

Mit der gestrichelten Linie ist im oberen Diagramm die Intensität der vom Detektor 24 detektierten reflektierten ersten Laserstrahlung LI dargestellt . Die Intensität der reflektierten ersten Laserstrahlung LI ist insgesamt geringer als die Intensität der vom Lasersystem 20 emittierten ersten Laserstrahlung LI . Dies liegt an Verlusten in der Intensität der ersten Laserstrahlung LI auf dem Weg vom Lasersystem 20 weg und zum Lasersystem 20 zurück . Zu einem zweiten Zeitpunkt t2 wird vom Detektor 24 eine erhöhte Intensität der detektierten Laserstrahlung im Vergleich zu Zeitpunkten vor und nach dem zweiten Zeitpunkt t2 detektiert . Somit tri f ft zum zweiten Zeitpunkt t2 die erste Laserstrahlung LI mit der erhöhten Intensität , welche zum ersten Zeitpunkt tl während des ersten Zeitintervalls Z I vom Lasersystem 20 emittiert wurde , auf den Detektor 24 auf . Das bedeutet , dass der Zeitunterschied zwischen dem ersten Zeitpunkt tl und dem zweiten Zeitpunkt t2 der Lauf zeit der ersten Laserstrahlung LI vom Lasersystem 20 zum Obj ekt 29 und zum Lasersystem 20 zurück entspricht . Aus dieser Lauf zeit kann die Entfernung Obj ekts 29 vom Lasersystem 20 bestimmt werden .

Die Geschwindigkeit des Obj ekts 29 relativ zum Detektor 24 oder relativ zum Lasersystem 20 kann nun aus dieser ermittelten Entfernung und aus dem Unterschied zwischen der Frequenz der zweiten Laserstrahlung L2 und der Frequenz der am Obj ekt 29 reflektierten ersten Laserstrahlung LI bestimmt werden für erste Laserstrahlung LI und zweite Laserstrahlung L2 , welche gleichzeitig zu einem Zeitpunkt außerhalb des ersten Zeitintervalls Z I auf den Detektor 24 auftref fen . Diese Bestimmung der Relativgeschwindigkeit erfolgt wie mit Figur 4 beschrieben . Außerdem kann die Entfernung des Obj ekts 29 vom Detektor 24 ebenfalls aus dem Unterschied zwischen der Frequenz der zweiten Laserstrahlung L2 und der Frequenz der am Obj ekt 29 reflektierten ersten Laserstrahlung LI bestimmt werden für erste Laserstrahlung LI und zweite Laserstrahlung L2 , welche gleichzeitig zu einem Zeitpunkt außerhalb des ersten Zeitintervalls Z I auf den Detektor 24 auftref fen .

Mit dem Verfahren kann insgesamt eine Viel zahl von Punkten in der Umgebung des Lasersystems 20 abgetastet werden .

Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Aus führungsbeispiele können gemäß weiteren Aus führungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen expli zit beschrieben sind . Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Aus führungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen .

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Aus führungsbeispiele auf diese beschränkt . Vielmehr umfasst die Erfindung j edes neue Merkmal sowie j ede Kombination von Merkmalen, was insbesondere j ede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet , auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht expli zit in den Patentansprüchen oder Aus führungsbeispielen angegeben ist .

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2021 121 211 . 1 , deren Inhalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird . Bezugs zeichenliste

20 Lasersystem

21 Laser

22 Strahlteiler

23 Modulationsmodul

24 Detektor

25 elektrooptischer Modulator

26 Verstärker

27 Wellenleiter

28 optisches Element

29 Obj ekt

30 optischer I solator

31 Ausgang

LI erste Laserstrahlung

L2 zweite Laserstrahlung tl-t5 Zeitpunkte

Z I erstes Zeitintervall

Z2 zweites Zeitintervall

Z3 drittes Zeitintervall