Titel

Reichweitenoptimiertes LiDAR-Svstem sowie LiDAR-Vorrichtung (110) und

Steuereinrichtung für ein solches LiDAR-Svstem

Die Erfindung betrifft ein reichweitenoptimiertes LiDAR-System. Ferner betrifft die Erfindung eine LiDAR-Vorrichtung und eine Steuereinrichtung für ein solches LiDAR-System.

Stand der Technik

Aktuelle LiDAR-Systeme sind üblicherweise als rotierende Scanner, Mikro- Scanner (MEMS-Spiegel) oder Flash-Systeme ausgeführt. Beim scannenden LiDAR-System wird das Gesichtsfeld (engl. Field of View, FoV) zeitlich mit einem stark kollimierten Laserstrahl abgetastet. Die Auflösung in horizontaler Richtung wird mit Hilfe einer Winkelmessung in feinen Schritten realisiert. In vertikaler Richtung wird die Auflösung hingegen durch die Anzahl der Sende-/ Empfangseinheiten bestimmt. Aus dem Stand der Technik sind dabei verschiedene Makroscanner bekannt. Hierbei handelt es sich um einen optoelektronischen Sensor, bei dem eine makroskopische Einheit rotiert, beispielsweise ein Sender oder ein Detektor. Die Laserleistung pro Messpuls ist bei scannenden LiDAR-Systemen wesentlich geringer als bei einem Flash- System, da hier stark gebündelte Laser zum Einsatz kommen und der Empfänger idealerweise stets nur den kleinen Ausschnitt des FoV beobachtet, welcher aktuell vom Laser auch tatsächlich beleuchtet wird. Alternativ kann ein Makroscanner auch über ortsfeste Sender und Empfänger verfügen, wobei die Strahlablenkung dabei durch einen rotierenden makroskopischen Spiegel erfolgt. Letzterer Sensortyp ist besonders vorteilhaft, wenn viel Wärme abgeführt werden muss, denn ein ortsfester (d.h. nicht rotierender) Sender lässt sich besonders effektiv an größere Wärmesenken bzw. andere Kühlkomponenten anbinden. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, eine Möglichkeit bereitzustellen, die Reichweite des LiDAR-Systems insbesondere für Anwendungen mit hoher Fahrgeschwindigkeit oder großer Bremsmasse des Ego-Fahrzeugs zu verbessern. Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.

Gemäß der Erfindung ist ein LiDAR-System zum Detektieren von Objekten innerhalb eines mehrere Detektionsbereiche umfassenden Beobachtungs bereichs vorgesehen, das eine stationäre Sendeeinrichtung umfassend ein primäres Sendemodul ausgebildet zum Emittieren eines primären Laserstrahls in Form von primären Lichtpulsen, die jeweils einen aktuellen Detektionsbereich des Beobachtungsbereichs beleuchten, und ein zu dem primären Sendemodul zeitlich selektiv zuschaltbares sekundäres Sendemodul ausgebildet zum Emittieren eines sekundären Laserstrahls in Form von sekundären Lichtpulsen, die den jeweils aktuellen Detektionsbereich zeitgleich mit den primären Lichtpulsen beleuchten, umfasst. Das LiDAR-System umfasst ferner eine optische Strahlkombinationseinrichtung ausgebildet zum Kombinieren des primären Laserstrahls und des sekundären Laserstrahls zu einem kombinierten Laserstrahl, eine Scaneinrichtung ausgebildet zum Erzeugen einer Scanbewegung des kombinierten Laserstrahls, durch die verschiedene Detektionsbereiche des Beobachtungsbereichs nacheinander beleuchtet werden, und eine Empfangseinrichtung mit wenigstens einem Lichtdetektor zum Detektieren der von Objekten aus dem jeweils aktuellen Detektionsbereich zurückreflektierten Lichtpulse. Schließlich umfasst das LiDAR-System eine Steuereinrichtung zum Steuern der Sendeeinrichtung, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, die Emission des sekundären Laserstrahls durch das sekundäre Sendemodul unabhängig von der Emission des primären Laserstrahls durch das primäre Sendemodul zu steuern. Die Verwendung eines zuschaltbaren sekundären Sendemodul ermöglicht eine verbesserte maximale Reichweite des LiDAR-Systems. Dabei zeigt sich aufgrund der höheren Pulsspitzenleistung eine Verbesserung des Signal-Rausch Verhältnisses (SNR, Signal Noise Ratio) und damit eine bessere Performance des LiDAR-Systems bei Hintergrund- und Störlicht. Das sekundäre Sendemodul kann dabei als "Boost-Modus" dienen, der bei viel Hintergrundlicht zur Verbesserung des SNR gezielt zugeschaltet werden kann. Ferner ergibt sich aus der Verwendung eines unabhängig vom primären Sendemodul steuerbaren sekundären Sendemodul eine Redundanz, durch welche Defekte bei einem der beiden Sendemodule ausgeglichen werden können. Bei einem defekten primären oder sekundären Sendemodul wird das jeweils funktionstüchtige Sendemodul in einen normalen Betriebsmodus weiterbetrieben, sodass es zu einem Ausfall des LiDAR-Systems kommt. Gegebenenfalls kommt es nur zu einer Degeneration der Fahrfunktionen, da das entsprechende Fahrzeug gegebenenfalls nicht mehr so schnell fahren kann.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, das sekundäre Sendemodul während eines Scanvorgangs zeitlich selektiv zu dem primären Sendemodul zuzuschalten, um ausgewählte Bereiche des Beobachtungsbereichs mit einer aus der Addition der primären und sekundären Lichtpulse resultierenden relativ hohen Pulsspitzenleistung zu beleuchten. Die Steuereinrichtung ist dabei ferner ausgebildet, das sekundäre Sendemodul während des Scanvorgangs zeitlich selektiv zu deaktivieren, um nicht ausgewählte Bereiche des Beobachtungsbereichs mit einer lediglich durch die primären Lichtpulse des primären Sendemoduls bereitgestellten relativ niedrigen Pulsspitzenleistung zu beleuchten. Durch das gezielte Zuschalten des zusätzlichen Sendemoduls in ausgesuchten Bereichen werden Veränderungen des gängigen Sichtfelds möglich. So kann in bestimmten Bereichen gezielt weiter geschaut werden, um potentielle Gefahrenquellen früher ermitteln zu können. Ferner kann das Konzept auch dazu verwendet werden, um das Signal-Rausch Verhältnis in bestimmten Bereichen gezielt zu erhöhen. Beispielsweise kann in Bereichen, die Objekte mit nur geringer Reflektivität aufweisen, durch die Erhöhung der Pulsspitzenleistung ein brauchbares Signal erzielt werden. So kann beispielsweise ähnlich einem Radar-System zentral in der Mitte weiter geschaut werden als zur Seite oder es kann bei einer Kreuzungssituation selektiv rechts und links mit größerer Reichweite nach schnell heranfahrenden Fahrzeugen geschaut werden. Für Autopilot-Anwendungen (HWP, Highway Pilot) kann ferner selektiv nur die eigene Fahrspur mit langer Reichweite vermessen werden. Durch zeitliches Timing der sekundären Pulse kann die Aktivierung im Verlauf des horizontalen Scans selektiert und von außen gesteuert werden. Ferner können auch kurvige Autobahnabschnitte vorausschauend nach Objekten, wie z.B. "Lost Cargo" gescannt werden.

In einerweiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, das zweite Sendemodul zuzuschalten, um wenigstens einen der folgenden Bereiche mit einer langen Reichweite zu beleuchten, nämlich einen schmalen zentralen Bereich vor einem Ego-Fahrzeug zum Überwachen der eigenen Fahrspur und wenigstens einen Bereich seitlich eines Ego-Fahrzeugs zum Detektieren von auf querenden bzw. kreuzenden oder einmündenden Straßen herannahenden Fahrzeugen. Mithilfe dieser Maßnahmen lässt sich die Fahrsicherheit von automatisierten Fahrzeugen erhöhen. Im ersten Fall kann beispielsweise ähnlich einem Radar-System zentral in der Mitte weiter geschaut werden als zur Seite, wodurch sich beispielsweise für HWP-Anwendungen selektiv nur die eigene Fahrspur mit langer Reichweite vermessen lässt.

Hingegen kann bei einer Kreuzungssituation selektiv rechts und links mit größerer Reichweite nach schnell heranfahrenden Fahrzeugen geschaut werden. Insgesamt kann durch das gezielte Zuschalten des sekundären Sendemoduls in bestimmten Bereichen eine bessere Übersicht über das Verkehrsgeschehen erreicht werden, was mit einer Erhöhung der Fahrsicherheit insbesondere bei automatisierten Fahrzeugen einhergeht.

In einerweiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die optische Strahlkombinationseinrichtung in Form eines Umlenkspiegels mit einer Durchlassöffnung ausgebildet ist. Dabei sind der Umlenkspiegel, der primäre Laserstrahl und der sekundäre Laserstrahl so zueinander ausgerichtet, dass ein erster der beiden Laserstrahlen durch die Durchlassöffnung hindurchtritt, während der jeweils andere der beiden Laserstrahlen in einem Randbereich der Durchgangsöffnung von dem Umlenkspiegel so umgelenkt wird, dass sich die beiden Laserstrahlen zu dem kombinierten Laserstrahl überlagern. Eine derartige Strahlkombinationseinrichtung ermöglicht eine Kombination der beiden Laserstrahlen bereits im Gerät, wodurch eine besonders gute räumliche Überlagerung der beiden Laserstrahlen und damit auch eine besonders gute Pulsspitzenleistung erreicht wird. Dabei ermöglicht der als Lochspiegel ausgebildete Umlenkspiegel eine effiziente Addition der beiden Laserstrahlen bei gleichzeitig einem nur sehr geringen Verlust im Empfangspfad. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung eines einzelnen Bauteils zur Strahlkombination eine relativ kleine bzw. flache Bauweise des Geräts.

In einerweiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sendeeinrichtung und/oder wenigstens eine der Sendeeinrichtung optisch nachgeschaltete Optik ausgebildet ist, bei den primären und sekundären Laserstrahlen jeweils ein Strahlprofil in Form einer vertikalen Linie zu erzeugen. Dabei ist die Durchlassöffnung des Umlenkspiegels in Form eines vertikalen Schlitzes ausgebildet. Durch diese Maßnahme kann der Beobachtungsraum spaltenweise gescannt werden. Darüber hinaus ermöglich die speziell geformte Durchgangsöffnung eine besonders gute Überlagerung der beiden linienförmigen Laserstrahlen.

In einerweiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zweite Sendemodul im Wesentlichen identisch zu dem ersten Sendemodul ausgebildet ist. Mithilfe der identischen Sendemodul können relativ einfach identische und synchrone Lichtpulse erzeugt werden, die sich besonders gut addieren lassen. Hierdurch werden besonders hohe Pulsspitzenleistungen erzielt. Ferner ergeben sich durch die Verwendung identischer Sendemodule auch Kostenvorteile bei der Herstellung.

In einerweiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, als sekundäres Sendemodul dasjenige der beiden Sendemodule zu verwenden, welches wenigstens eines der folgenden Kriterien erfüllt, nämlich dass das entsprechende Sendemodul aufgrund seiner Bauart, seinem Einbauort und/oder seiner relativ zu dem jeweils anderen Sendemodul schlechteren thermischen Anbindung an eine Wärmesenke einen größeren Kühlbedarf aufweist oder dass das entsprechende Sendemodul situationsbedingt eine aktuell höhere Temperatur aufweist. Durch diese Maßnahme kann ein besonders effizienter und für die beteiligten Komponenten schonender Betrieb sichergestellt werden. Insbesondere kann im ersten Fall dasjenige der beiden Sendemodule für den Sekundärbetrieb ausgewählt werden, welches sich im Normalbetrieb stärker erwärmen würde. Sofern die Sendemodule identisch ausgelegt sind, ist es im normalen Betriebsmodus (d.h. mittlere Reichweite) ganz gleich, welches der beiden Sendemodule den primären Laserstrahl emittiert. Somit ergibt sich im zweiten Fall ein Vorteil für das thermische Management, denn das tendenziell eher abzukühlende Sendemodul wird in den Sekundärbetrieb versetzt und erwärmt sich durch seine reduzierte Pulszahl nur noch geringfügig. Grundsätzlich lässt sich hiermit auch ein flexibler Modus vorsehen, in dem jedes der beiden Sendemodule abwechselnd im Primär- und Sekundärbetrieb betrieben wird.

Gemäß einerweiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung ausgebildet, das zweite Sendemodul erst bei einer Überschreitung einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit eines mit dem LiDAR-System ausgestatteten Ego- Fahrzeugs zuzuschalten. Da die mithilfe des zugeschalteten sekundären Sendemoduls erzielten langen Reichweiten für die automatisierten Fahrfunktionen nur bei höheren Geschwindigkeiten benötigt werden und bei diesen Geschwindigkeiten erwartungsgemäß sich keine Menschen in unmittelbarer Umgebung des LiDAR-Systems befinden, kann ein intelligenter Betriebsmodus vorgesehen werden, bei dem das sekundäre Sendemodul nur bei höheren Geschwindigkeiten zugeschaltet wird. Hierdurch lässt sich die Augensicherheit trotz der relativ hohen Pulsspitzenleistung gewährleistet werden.

Gemäß einerweiteren Ausführungsform umfasst das LiDAR-System eine externe Schnittstelle ausgebildet zum Empfangen von Steuersignalen über eine externe Signalleitung. Dabei ist die Steuereinrichtung ausgebildet, das sekundäre Sendemodul zu aktivieren und zu deaktivieren, wenn über die externe Schnittstelle ein entsprechendes Steuersignal empfangen wird. Da die externe Steuerbarkeit vorteilhaft an der Systemschnittstelle verfügbar ist, kann die Fahrfunktion bzw. der zentrale Leitrechner des Ego-Fahrzeugs die Erhöhung der Reichweite situationsabhängig beeinflussen. Somit lässt sich das LiDAR-System besonders gut in das Steuerung-Konzept automatisierter Fahrzeuge integrieren.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ferner eine LiDAR-Vorrichtung für das oben beschriebene LiDAR-System vorgesehen, die eine stationäre Sendeeinrichtung umfassend ein primäres Sendemodul ausgebildet zum Emittieren eines primären Laserstrahls in Form von primären Lichtpulsen, die jeweils einen aktuellen Detektionsbereich des Beobachtungsbereichs beleuchten, und ein zu dem primären Sendemodul zeitlich selektiv zuschaltbares sekundäres Sendemodul ausgebildet zum Emittieren eines sekundären Laserstrahls in Form von sekundären Lichtpulsen, die den jeweils aktuellen Detektionsbereich zeitgleich mit den primären Lichtpulsen beleuchten, umfasst. Das LiDAR-System umfasst ferner eine optische Strahlkombinationseinrichtung ausgebildet zum Kombinieren des primären Laserstrahls und des sekundären Laserstrahls zu einem kombinierten Laserstrahl, eine Scaneinrichtung ausgebildet zum Erzeugen einer Scanbewegung des kombinierten Laserstrahls, durch die verschiedene Detektionsbereiche des Beobachtungsbereichs nacheinander beleuchtet werden, und eine Empfangseinrichtung mit wenigstens einem Lichtdetektor zum Detektieren der von Objekten aus dem jeweils aktuellen Detektionsbereich zurückreflektierten Lichtpulse. Für die LiDAR-Vorrichtung ergeben sich die im Zusammenhang mit dem LiDAR-System genannten Vorteile.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist schließlich eine Steuereinrichtung für das oben genannte LiDAR-System vorgesehen, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, das sekundäre Sendemodul während eines Scanvorgangs zeitlich selektiv zu dem primären Sendemodul zuzuschalten, um ausgewählte Bereiche des Beobachtungsbereichs mit einer aus der Addition der primären und sekundären Lichtpulse resultierenden relativ hohen Pulsspitzenleistung zu beleuchten. Die Steuereinrichtung ist ferner ausgebildet, das sekundäre Sendemodul während des Scanvorgangs zeitlich selektiv zu deaktivieren, um nicht ausgewählte Bereiche des Beobachtungsbereichs mit einer lediglich durch die primären Lichtpulse des primären Sendemoduls bereitgestellten relativ niedrigen Pulsspitzenleistung zu beleuchten. Für die Steuereinrichtung ergeben sich die im Zusammenhang mit dem LiDAR-System genannten Vorteile.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch die Funktionsweise eines LiDAR-Systems zum Erfassen von Objekten in einem Beobachtungsbereich seiner Umgebung;

Fig. 2 schematisch den Aufbau eines LiDAR-Systems mit einem statischen Sendemodul und einem rotierenden Umlenkspiegel; Fig. 3 schematisch den Aufbau eines LiDAR-Systems mit zwei statischen Sendemodulen und einem rotierenden Umlenkspiegel;

Fig. 4 schematisch ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der Lichtleistung verschiedener Lichtpulse des LiDAR-Systems aus Figur 3;

Fig. 5 schematisch ein Fahrzeug, bei dem mithilfe des LiDAR-Systems ein breiter Erfassungsbereich mit einer mittleren Reichweite und ein schmaler zentraler Erfassungsbereich mit langer Reichweite realisiert sind; und

Fig. 6 schematisch ein Fahrzeug, bei dem mithilfe des LiDAR-Systems ein breiter Erfassungsbereich mit einer mittleren Reichweite und zwei schmale seitliche Erfassungsbereiche mit langer Reichweite realisiert sind.

Das hier beschriebene Konzept sieht ein gepulstes LiDAR-System vor, das vorzugsweise als ein Makroscanner mit einem z.B. mittels einer elektrischen Antriebseinheit um die vertikale Achse rotierten Spiegel, einen eindimensionalen Sende- und Empfangspfad zur Spaltenbeleuchtung und Spaltendetektion mit optionaler Makropixelbildung in horizontaler und vertikaler Richtung sowie einen stationären Laser, Detektor, Elektronik und Optik. Ein wesentlicher Aspekt des neuen LiDAR-Systems bildet ein sekundäres Sendemodul, das unabhängig von dem primären Sendemodul des LiDAR-Systems zugeschaltet werden kann. Das sekundäre Sendemodul ist vorzugsweise identisch zu dem primären Sendemodul des LiDAR-Systems ausgelegt, wobei Wellenlänge, Strahlform, Optik, Pulslänge, Pulsfrequenz, etc. bei beiden Sendemodulen übereinstimmen, so dass bei beiden Sendemodulen die gleiche vertikale Spalte (Laserstrahl mit linienförmigen Strahlprofil) als Emission resultiert. Die Emission des sekundären Sendemoduls wird dabei so in den optischen Pfad des primären Sendemoduls eingefügt, dass die von den beiden Sendemodulen emittierten Spalten bereits im Gerät miteinander zur Addition kommen. Dabei wird insgesamt eine relativ hohe Pulsspitzenleistung und Pulsenergie erzeugt, die optional und steuerbar einen langreichweitigen Betrieb in ausgesuchten, horizontalen Raumwinkeln ermöglicht. Die Figur 1 zeigt schematisch ein LiDAR-System 100 beim Scannen seiner Umgebung 200 mithilfe eines gepulsten Laserstrahls 122. Das LiDAR-System 100 umfasst hierzu eine LiDAR-Vorrichtung 110 sowie Steuereinrichtung 190 zum Steuern der LiDAR-Vorrichtung 110. Die LiDAR-Vorrichtung 110 umfasst eine ortsfeste Sende- und Empfangseinrichtung 111 mit einer Sendeeinrichtung 120, die ein Sendemodul 121 zum Erzeugen des Laserstrahls 122 aufweist, und eine Empfangseinrichtung 130, die eine hier nicht näher dargestellte Anordnung aus wenigstens einem Detektor 131 zum Detektieren des an Objekten 201 reflektierten Laserstrahls 122 in Form einer zurückreflektierten Lichtstrahlung 129. Bei dem hier gezeigten LiDAR-System 100 wird der den Beobachtungsbereich 210 abtastende Laserstrahl 122 in Form einer vertikalen Linie emittiert. Die entsprechende Empfangseinrichtung 130 weißt in einem solchen Fall typischerweise Detektoranordnung 131 mit mehreren in Form eines Detektor-Arrays vertikal übereinander angeordneten Detektoren auf. Ferner umfasst die LiDAR-Vorrichtung 110 eine optische Einrichtung 160 mit wenigstens einer oder mehreren hier nicht näher dargestellten Optiken zum Kollimieren des emittierten Laserstrahls 122 und Formen seines Strahlprofils sowie zum Abbilden der empfangenen Lichtstrahlung 129 auf den wenigstens einen Detektor 131. Darüber hinaus umfasst die LiDAR-Vorrichtung eine Scaneinrichtung 150, die beispielsweise aus einem rotierenden Spiegel und geeigneten motorischen Antriebseinrichtung besteht (hier nicht gezeigt). Mithilfe der Scaneinrichtung 150 wird der Laserstrahl 122 typischerweise in einer periodischen Scanbewegung 153 über einen definierten Beobachtungsbereich 210 der Umgebung 200 geführt, der das aktuelle Sichtfeld des LiDAR-Systems 100 definiert. Die Abtastung des Beobachtungsbereichs 110 erfolgt dabei in kleinen Schritten, wobei die Lichtpulse des gepulsten Laserstrahls 122 nacheinander jeweils einen kleinen Detektionsbereich 2111 - 211, beleuchten, welcher jeweils einen kleinen Ausschnitt des Beobachtungsbereichs 210 dargestellt. Das von einem Objekt 201 aus dem jeweiligen Detektionsbereich 211i - 211, zurückreflektierte Licht 129 wird von der Scaneinrichtung 150 entsprechend auf die Empfangseinrichtung 130 gelenkt und von dem wenigstens einem Detektor der Detektoranordnung detektiert.

Wie aus der Figur 1 ersichtlich ist, kann die Steuereinrichtung 190 mehrere Komponenten umfassen, wie zum Beispiel eine Aktivierungseinrichtung 191 zum Aktivieren der Sendeeinrichtung 120 bzw. des Sendemoduls 121. Ferner kann die Steuereinrichtung 190 weitere Komponenten enthalten, wie zum Beispiel eine Auswerteeinrichtung 192 zum Auswerten der Messsignale des wenigstens einen Detektors 131. Ein solcher Auswerteeinrichtung 192 kann anhand der dabei ermittelten Laufzeiten der aus verschiedenen Detektionsbereichen 2111 — 211 , empfangenen Laserpulse ein Modell der Umgebung 200 in Form einer Punktwolke berechnen. Die Steuereinrichtung 190 kann ferner eine externe Schnittstelle 193 zur Kommunikation mit übergeordneten Steuereinrichtungen aufweisen.

Wie aus der Figur 1 ferner ersichtlich ist, sind die im vorliegenden Beispiel gezeigten Komponenten der LiDAR-Vorrichtung 110 in einem gemeinsamen Gehäuse 101 untergebracht, das über ein für die jeweils verwendete Lichtstrahlung transparentes Fenster 102 verfügt. Je nach Anwendung kann die Steuereinrichtung 190 oder Teile der Steuereinrichtung 190 auch innerhalb des Gehäuses 101 untergebracht sein.

Die Figur 2 zeigt schematisch eine detaillierte Ansicht der LiDAR-Vorrichtung 110 des LiDAR-Systems 100 aus Figur 1 in einer bekannten Ausführung. Dabei ist ersichtlich, dass die Sendeeinrichtung 120 nur ein einzelnes Sendemodul 121 umfasst. Der von dem Sendemodul 121 emittierte Laserstrahl 122 wird dabei mittels eines ersten Umlenkspiegels 142 auf einen um eine Achse 152 rotierenden Spiegel 151 der Scaneinrichtung 150 in Richtung des Fensters 102 umgelenkt, durch welches er das Gehäuse 101 verlässt. Auch die zurückreflektierte Lichtstrahlung 129, die über das Fenster 102 in das Gehäuse 101 der LiDAR-Vorrichtung 110 gelangt, wird von dem rotierenden Spiegel 151 der Scaneinrichtung 150 umgelenkt und gelangt über einen zweiten Umlenkspiegel 143 auf den wenigstens einen Detektor 131 der Empfangseinrichtung 130. Wie bereits im Zusammenhang mit Figur 1 erläutert, umfasst die LiDAR-Vorrichtung ferner eine optische Einrichtung 160, welche im vorliegenden Beispiel zwei im Sendepfad angeordnete optionale Optiken 161,

162 zum Kollimieren und Formen des ausgesendeten Laserstrahls 122 sowie zwei im Empfangspfad angeordnete optionale Optiken 163, 164 zum Bündeln und Projizieren der zurückreflektierten Lichtstrahlung 129 auf den wenigstens einen Detektor 131 der Detektoreinrichtung 130. Die Figur 3 zeigt schematisch eine detaillierte Ansicht der LiDAR-Vorrichtung 110 des LiDAR-Systems 100 aus Figur 1 in einer erfindungsgemäßen Ausführung. Wie hierbei ersichtlich ist, umfasst die modifizierte Sendeeinrichtung 120 nunmehr zwei Sendemodule 121 , 124, die als voneinander unabhängig steuerbare Emitter dienen. Die beiden Sendemodule 121, 124 sind vorzugsweise technisch identisch ausgebildet, so dass sie jeweils identische Laserstrahlungen 121, 125 emittieren. Den beiden Sendemodulen 121, 124 sind zur Kollimation optionale Optiken 1611 , 1612 zugeordnet, die vorzugsweise ebenfalls identisch ausgelegt sind. Hierdurch emittieren beide Sendemodule 121, 124 elektrische Laserstrahlen 122, 125 die mittels einer geeigneten Strahlkombinations einrichtung 140 bereits optimal in dem Gerät zur Addition kommen. Als eine mögliche Strahlkombinationseinrichtung 140 kommt beispielsweise ein mit einer Durchlassöffnung 141 ausgestatteter Umlenkspiegel 140 zum Einsatz, welcher einen ersten der beiden Laserstrahlen 122, 125 umlenkt, während er den jeweils anderen Laserstrahl durch die Durchlassöffnung 124 passieren lässt. Im vorliegenden Beispiel wird der primäre Lichtstrahl 122 des primären Sendemoduls 121 am Umkehrspiegel 140 in Richtung der Scaneinrichtung 150 umgelenkt, während der sekundäre Lichtstrahl 125 des im vorliegenden Beispiel sich hinter dem Umlenkspiegel 140 befindlichen sekundären Sendemoduls 124 durch die Durchlassöffnung 141 hindurchtritt. Wie aus der Figur 3 ersichtlich ist, trifft der primäre Lichtstrahl 122 auf einen Randbereich 142 möglichst nahe der Durchlassöffnung 141 auf den Umlenkspiegel 140 auf. Hierdurch werden die beiden Laserstrahlen 122, 125 möglichst nahe zueinander gebracht, sodass es bereits im Gerät zu einer Überlagerung ihrer optischen Pfade und damit zur Addition der beiden Laserstrahlen 122, 125 kommt. Hierdurch bedingt verlassen die beiden Laserstrahlen 122, 125 die LiDAR-Vorrichtung 100 in Form eines kombinierten Laserstrahls 127. Beim zugeschalteten sekundären Sendemodul

124 weist der kombinierte Laserstrahl 127 Lichtpulse 128 mit einer deutlich erhöhten Pulsspitzenleistung auf. Es ist sinnvoll, den Umlenkspiegel 140 als einen großen Spiegel mit einem seitlich leicht versetzten Spalt (vertikale Durchlassöffnung) auszulegen. Für eine gute Addition der Laserstrahlen 122,

125 ist es sinnvoll, dass die beiden Sendemodule 121, 125 technisch identisch ausgelegt sind und identische Betriebsbedingungen, wie z.B. Temperatur, erfahren. Ferner ist es notwendig, dass die beiden Laserstrahlen 122, 125 räumlich und zeitlich optimal aufeinander fallen.

Wie aus der Figur 3 ferner ersichtlich ist, kann der Empfangspfad der LiDAR- Vorrichtung 110 im Wesentlichen unverändert bleiben. Im vorliegenden Beispiel wird die zurückreflektierte Lichtstrahlung 129 vom rotierenden Spiegel 151 ebenfalls auf den Umlenkspiegel 140 umgelenkt, welcher die zurückreflektierte Lichtstrahlung 129 wiederum in Richtung des wenigstens einen Detektors 131 umlenkt. Bei dieser Ausführungsform steht nahezu die vollständige Spielfläche des Umlenkspiegels 140 für die Umlenkung der zurückreflektierten Lichtstrahlung 129 zur Verfügung, sodass relativ viel Licht den Detektor 131 erreichen kann. Die relativ schmale Durchlassöffnung 141 stellt dabei keinen wesentlichen Verlust an Spiegelfläche dar. Grundsätzlich lässt sich die zurückreflektierte Lichtstrahlung auch über einen separaten Umlenkspiegel oder eine andere Lichtführung in den wenigstens einen Detektor 131 lenken.

Der Laser der beiden als Emitter dienenden Sendemodule 121 , 124 sowie die zugehörige die Optik, die Elektronik (hier nicht gezeigt) sind ortsfest am Stator angeordnet. Auch der Detektor 121 der Empfangseinrichtung 120 sowie die zugehörige Optik 163, 164 und Elektronik (hier nicht gezeigt) sind ortsfest am Stator angeordnet. Hierdurch ergeben sich gegenüber einem rotierenden LiDAR- System bereits bekannten Vorteile für die Wärmeabfuhr sowie die Energie- und Datenübertragung.

Bei einer geschickten Platzierung des zusätzlichen Sendemoduls 124 wird der Bauraum nicht oder zumindest nicht wesentlich vergrößert. Das kann beispielsweise durch Platzieren des sekundären Sendemoduls 124 in die Ecke hinter dem Umlenkspiegel 140 realisiert werden.

Zur Verdeutlichung der Addition der von den beiden Sendemodulen 121, 124 emittierten Laserstrahlen 122, 125 ist in der Figur 4 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf von zwei sich überlagernden Lichtpulsen 123, 126 der beiden Laserstrahlen 122, 125 dargestellt. Als Einheit der Ordinatenachse dient im vorliegenden Beispiel die Anzahl n der zu einem Zeitpunkt t im Detektor 131 ankommenden Photonen. Dabei wird ersichtlich, dass sich die beiden Lichtpulse 123, 126 zu einem deutlich größeren kombinierten Lichtpuls 128 addieren. Wie hierbei ersichtlich ist, weist der kombinierte Lichtpuls 128 wegen einer höheren Pulsspitzenleistung in seinen Randbereichen (t<ti und t>ts) durch die Pulsaddition ein gegenüber den Einzelpulsen 123, 126 deutlich verbessertes Signal-Rausch Verhältnis auf. Wie aus der Figur 4 ersichtlich ist, trifft der primäre Lichtpuls 123 allerdings zu dem Zeitpunkt t2 ein, während der sekundäre Lichtpuls 126 zu einem etwas späteren Zeitpunkt U eintrifft. Dieser kleine zeitliche Versatz Ät führt zu einer Verbreiterung des kombinierten Lichtpulses 128 bei gleichzeitiger Reduktion seiner maximalen Amplitude. Diese unerwünschten Effekte führen zur Reduktion der Genauigkeit des LiDAR- Systems 100. Daher ist es notwendig, dass die beiden Lichtpulse 123, 126 möglichst synchron im jeweiligen Zielgebiet eintreffen. Mögliche Ungenauigkeiten der zeitlichen Synchronisierung der primären und sekundären Lichtpulse 123,

126 können dabei durch Offsets kompensiert werden, die durch eine zeitliche Kalibrierung der Sendezeitpunkte der jeweiligen Lichtpulse 123, 126 erzielt werden. Darüber hinaus können Jitter-Effekte, die ebenfalls zu einer Reduktion der Messgenauigkeit führen, durch tendenziell leicht längere primär- und Sekundärpulse und somit flacheren Spitzen behandelt werden.

Grundsätzlich lässt sich die Reichweite des LiDAR-Systems 100 durch zeitweises Zuschalten des sekundären Sendemoduls 124 zur Verbesserung der Sicht in beliebigen Raumwinkeln des Beobachtungsbereichs 210 erhöhen. In den Figuren 5 und 6 sind hierzu beispielhaft zwei mögliche Szenarien für den Einsatz des hier vorgestellten Konzepts zur Erhöhung der Reichweite in ausgewählten Raumwinkeln dargestellt. Dabei zeigt Figur 5 eine erste Fahrsituation eines mit dem erfindungsgemäßen LiDAR-System 100 ausgestatteten Ego-Fahrzeug 300. Das LiDAR-System 100 tastet dabei einen vor dem Ego-Fahrzeug 300 liegenden Beobachtungsbereich 210 der Umgebung 200 ab. Wie hierbei gezeigt ist, wird der aktuelle Beobachtungsbereich 210 dabei in einem relativ schmalen zentralen Bereich 213 mit einer durch das Zuschalten des sekundären Sendemoduls 124 erzielten hohen Pulsspitzenleistung abgetastet. Durch die dabei in dem betreffenden zentralen Bereich 213 erzielte lange Reichweite kann die eigene Fahrbahn vorausschauend auf mögliche Hindernisse abgetastet werden. Hingegen werden die beiden links und rechts vom zentralen Bereich 213 angeordneten Bereiche 212, 114 mit einer durch das Abschalten des sekundären Sendemoduls 124 reduzierten Pulsspitzenleistung abgetastet. Hierdurch ergibt sich in diesen Bereichen 212, 214 eine üblicherweise zur Abtastung des Beobachtungsbereichs 210 verwendete mittlere Reichweite des LiDAR-Systems 100. Da die mithilfe des zugeschalteten sekundären Sendemoduls 124 erzielten langen Reichweiten für die automatisierte Fahrfunktionen in der Regel nur bei höheren Geschwindigkeiten benötigt werden und bei höheren Geschwindigkeiten erwartungsgemäß sich keine Menschen in unmittelbarer Umgebung 200 des LiDAR-Systems 100 befinden, kann ein intelligenter Betriebsmodus vorgesehen werden, bei dem das sekundäre Sendemodul 124 nur bei höheren Geschwindigkeiten bzw. erst ab einer bestimmten Geschwindigkeit, zugeschaltet wird. Hierdurch lässt sich die Augensicherheit trotz der relativ hohen Pulsspitzenleistung gewährleistet werden.

Die in der Figur 6 dargestellte Fahrsituation entspricht hingegen dem Herannahen des Ego-Fahrzeugs 300 an eine Straßenkreuzung. In diesem Fall kann das Ego-Fahrzeug 300 die querende Straße mithilfe des LiDAR-Systems 100 nach schnell herannahenden Fahrzeugen abscannen. Hierfür wird das sekundäre Sendemodul 124 in den sich jeweils am Rand des Beobachtungsbereichs 210 befindlichen seitlichen Bereichen 216, 218 zugeschaltet, um jeweils einen seitlichen Fernblick auf die querende Straße und die darauf befindlichen Objekte zu ermöglichen. Hingegen werden die Bereiche 215, 217, 219 lediglich mit mittlerer Reichweite gescannt, was durch Abschalten des sekundären Sendemoduls 124 während des Scanvorgangs der betreffenden Bereiche 215, 217, 219 erfolgt.

Die Sendemodule können eine oder mehrere Laserlichtquellen umfassen, die z.B. als Kantenemitter, VCSEL, VeCSEL ausgebildet sind. Ein Solches Sendemodul kann den Beobachtungsbereich z.B. mittels einzelner Spots, linear oder sequentiell angeordneter, diskreter Einzelquellenspots, Linien- und Spaltenbeleuchtung sowie Flächenbeleuchtung (Flash) beleuchten. Die Scaneinrichtung kann eine oder mehrere Lichtablenkeinheiten umfassen, insbesondere ein um seine senkrechte Achse rotierender, makroskopischen Spiegel mit mindestens einer reflektierenden Fläche. Dabei sind auch eine Vorder- und Rückseitenreflektion sowie Polygonspiegel mit mehreren reflektierenden Flächen möglich. Das LiDAR-System kann verschiedenartige, unabhängige Merkmale der optischen Pfade mit z.B. sphärischen und zylinderförmigen Linsen, parallelem und nicht parallelem Strahlenverlauf getrennt und örtlich zusammenfallenden Strahlenverläufen sowie stationären Umlenkspiegeln und optischen Filtern für den Sende- und Empfangspfad aufweisen. Für die Detektion kommen beispielsweise sowohl ein Einzeldetektor, linear und sequenziell angeordnete, diskrete Einzeldetektoren, ein 1D-Array oder ein 2D-Array mit oder ohne Superpixelbildung (Makropixel), mit gängigen Auswerteschaltungen und -methoden (z.B. Histogrammbildung bei SPADs) zum Einsatz. Dabei können verschiedene Detektortechnologien, wie z.B. Imager, PIN, PSD, APD, SPAD oder SiPM verwendet werden. Ferner kann grundsätzlich auch eine sukzessive Aktivierung der Detektorpixel erfolgen, um das Signal-Rausch- Verhältnis des Sensors zu erhöhen.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus auch andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.