Neben Kamera und Radar ist Lidar der dritte Hauptsensor im Rahmen der Sensordatenfusion, und während FMCW-Lidar die Zukunft gehört, nutzen ToF-Lidar-Sensorsysteme der ersten Generation gepulste Signale zur Laufzeitmessung (ToF, Time of Flight). Solche ToF-Systeme senden – unabhängig davon, ob es ein Scanning-Lidar- oder ein Flash-Lidar-Sensor ist – starke Laserimpulse aus und detektieren das von einem Objekt zurückgestreute Licht. Aus der Laufzeit der Signale errechnen sie anschließend die Entfernung zum Objekt.

Bild 1: Lidar-Laser mit 850 und 905 nm Wellenlänge haben im nahen Infrarotbereich Wechselwirkungen mit starker Sonneneinstrahlung und müssen tagsüber mit hohen Signalpegeln arbeiten. Systeme mit 1150 nm Wellenlänge sind störender Sonneneinstrahlung in geringerem Umfang ausgesetzt und können mit deutlich weniger Lichtleistung auch augenschonender arbeiten. ToF-Lidar arbeitet mit den kürzeren Wellenlängen, FMCW-Lidar mit den längeren Wellenlängen.

Bild 1: Lidar-Laser mit 850 und 905 nm Wellenlänge haben im nahen Infrarotbereich Wechselwirkungen mit starker Sonneneinstrahlung und müssen tagsüber mit hohen Signalpegeln arbeiten. Systeme mit 1150 nm Wellenlänge sind störender Sonneneinstrahlung in geringerem Umfang ausgesetzt und können mit deutlich weniger Lichtleistung auch augenschonender arbeiten. ToF-Lidar arbeitet mit den kürzeren Wellenlängen, FMCW-Lidar mit den längeren Wellenlängen. Silc

Bei 1550 nm vierzigmal höhere Augensicherheit

Die heutigen Laufzeit-Lidar-Systeme (ToF) arbeiten mit Wellenlängen von 850 und 905 nm, die sehr dicht an das sichtbare Lichtspektrum angrenzen. Einerseits ist Schutz der Augen vor Strahlenschädigung ein großes Anliegen, aber andererseits schränkt dies sowohl die maximale Laserleistung als auch die Reichweite der Systeme ein. Darüber hinaus gibt es im Bereich von 850 bis 905 nm eine signifikante Sonneneinstrahlung, die bei Tageslicht Störungen verursacht. Weitaus besser eignet sich eine Wellenlänge von 1550 nm, was eine bis zu vierzigmal höhere Augensicherheit bedeutet und zu weniger Interferenzen durch die Sonneneinstrahlung führt (Bild 1).

Funktionsweise des FMCW-Lidar

Ein kurzes Video erklärt die Funktionsweise der Technologie und zeigt Unterschiede zum ToF-Lidar:

ToF-Lidar ist nachts top

ToF-Lidar (Laufzeit-Lidar) funktioniert nachts hervorragend, aber bei hellem Tageslicht stört Sonneneinstrahlung im Infrarotbereich und erzeugt ein zusätzliches Rauschen im empfangenen Signal. Schlimmer wird es, wenn mehrere Laufzeit-Lidar-Systeme in unmittelbarer Nähe arbeiten, denn dann kann das eigene Lidar durch den Empfang der fremden Lichtimpulse zeitweise komplett ausfallen.

Bild 2: Ein Laufzeit-Lidar funktioniert nachts hervorragend, da die störende Sonneneinstrahlung fehlt und andere Lidar-Fahrzeuge seltener zugegen sind.

Bild 2: Ein Laufzeit-Lidar funktioniert nachts hervorragend, da die störende Sonneneinstrahlung fehlt und andere Lidar-Fahrzeuge seltener zugegen sind. Silc

Um dieses Problem zu beheben, beginnen einige ToF-Lidar-Anbieter mit der Einführung von Codierungstechniken durch Aufspaltung des Sendesignals in mehrere kleinere Lichtpulse. Da die Reichweite jedoch proportional zur maximalen Leistung des Laserpulses in einem derartigen System ist, führt eine Aufspaltung der verfügbaren Energie in mehrere Impulse zu einer signifikanten Verringerung der Reichweite (Bilder 2 und 3).

Bild 3: Tagsüber haben es Lidar-Systeme schwer, ihr Signalecho zu detektieren, denn starke Sonneneinstrahlung und fremde Lidar-Systeme erzeugen Interferenzen und zusätzliches Signalrauschen.

Bild 3: Tagsüber haben es Lidar-Systeme schwer, ihr Signalecho zu detektieren, denn starke Sonneneinstrahlung und fremde Lidar-Systeme erzeugen Interferenzen und zusätzliches Signalrauschen. Silc

Viele Vorteile von FMCW-Lidar

Es ist unvermeidlich, dass sich auch bei Lidar eine ähnliche Entwicklung wie bei Radar-Systemen vollzieht, die mit einem kohärenten FMCW-Verfahren arbeiten. FMCW steht für Frequency Modulated Continuous Wave, was man früher noch mit frequenzmoduliertes Dauerstrich-Detektionsverfahren übersetzt hätte. Anstatt sich auf einfache Impulse zu verlassen, sendet ein FMCW-Lidar ein Chirp-Signal (Chirp: zirpen, zwitschern ) mit geringer Leistung aus.
Das reflektierte Chirp-Signal lässt anhand seiner Frequenzverschiebung auf die Entfernung des Messpunktes schließen. Bewegt sich der Messpunkt mit einer bestimmten Radialgeschwindigkeit, entsteht im reflektierten Chirp-Signal zusätzlich eine Doppler-Frequenzverschiebung (Bild 4).
Durch Verwendung einer periodischen Aufwärts- und Abwärts-Chirp-Modulation kann ein kohärentes Lidar sowohl die Entfernung als auch die Geschwindigkeit jedes Messpunktes augenblicklich auflösen. Laufzeit-Lidar-Systeme sind nicht in der Lage, die Geschwindigkeit eines Messpunktes sofort aufzulösen. Die Geschwindigkeit sich bewegender Personen und Objekte im Fahrzeugumfeld stellt jedoch ein wichtiges Kriterium dar.

Bild 4: Diese Darstellung veranschaulicht die prinzipielle Funktionsweise eines FMCW-Lidars. Ein Chirp-Signal (grün) mit geringer Leistung wird vom Objekt reflektiert. Die Frequenzverschiebung zwischen dem Sende-Chirp und seinem Echosignal (blau) ist proportional zu Entfernung und Geschwindigkeit des Objekts. Für die Erfassung beider Messwerte ist eine periodische Aufwärts- und Abwärts-Chirp-Modulation notwendig

Bild 4: Diese Darstellung veranschaulicht die prinzipielle Funktionsweise eines FMCW-Lidars. Ein Chirp-Signal (grün) mit geringer Leistung wird vom Objekt reflektiert. Die Frequenzverschiebung zwischen dem Sende-Chirp und seinem Echosignal (blau) ist proportional zu Entfernung und Geschwindigkeit des Objekts. Für die Erfassung beider Messwerte ist eine periodische Aufwärts- und Abwärts-Chirp-Modulation notwendig Silc

Weniger Rauschen durch optische Signalvorverarbeitung

Kohärente Lidar-Systeme, basierend auf der FMCW-Methode, ermöglichen eine wesentlich höhere Erfassungsempfindlichkeit und Genauigkeit. Bei FMCW-Lidar ist das Signal-Rausch-Verhältnis proportional zur Gesamtzahl der gesendeten Photonen und nicht zur Spitzenleistung des Lasers. Da das FMCW-Lidar eine mehr als zehnmal höhere Empfindlichkeit hat, kann es mit einer mehr als tausendfach geringeren Durchschnittsleistung arbeiten als ein gepulstes Laufzeit-Lidar.

Die spezielle Optik eines FMCW-Lidars mischt einen Bruchteil des austretenden kohärenten Laserlichts mit dem empfangenen Echo. Dadurch entsteht ein einzigartiges Erkennungsmerkmal, das jegliche Hintergrundstrahlung oder Lidar-Interferenz wirksam unterdrückt (Bild 5).

Bild 5: Dieses Schema veranschaulicht das Konzept der kohärenten Verstärkung: Das vom blauen Sendesignal abgezweigte Referenzsignal interferiert konstruktiv mit dem schwachen violetten Empfangssignal und erzeugt ein neues grünes Schwebungssignal mit großer Amplitude, welches vom Photodetektor erfasst wird.

Bild 5: Dieses Schema veranschaulicht das Konzept der kohärenten Verstärkung: Das vom blauen Sendesignal abgezweigte Referenzsignal interferiert konstruktiv mit dem schwachen violetten Empfangssignal und erzeugt ein neues grünes Schwebungssignal mit großer Amplitude, welches vom Photodetektor erfasst wird. Silc

Zusätzlich erzeugt das kohärente Mischen des ausgehenden Laserlichts mit dem empfangenen Signal durch konstruktive Interferenz ein Schwebungssignal, was für eine Rauschunterdrückung und Verstärkung des Eingangssignals sorgt, bevor es auf den Fotodetektor gelangt. Eine nachfolgende schnelle Fourier-Transformation der empfangenen Wellenfunktion liefert dann den Abstand und die Geschwindigkeit eines Messpunktes.

Robust gegen Störungen

Im Vergleich zu ToF-Lidar-Systemen bietet die FMCW-Methode mehrere weitere hervorzuhebende Vorteile. Die maximale Reichweite von Laufzeitsystemen ist durch Vorschriften zur Augensicherheit begrenzt. In einem autonomen Fahrszenario ist es jedoch angebracht, Objekte mit geringerer Reflektivität (beispielsweise ein dunkles Objekt, das vor dem Fahrzeug auf der Straße liegt) in Entfernungen von 200 Meter und mehr zu erkennen, um ein Ausweichmanöver planen oder auch einfach nur bremsen zu können. Keines der heute auf dem Markt erhältlichen ToF-Lidar-Systeme im Nahbereichs-Infrarot wirbt mit der Erkennung dunkler Objekte mit weniger als 10 % Reflexionsvermögen in der Zweihundertmeterzone.

Warum Lidar?

Die optische Fernerkundungsmethode Lidar (Light Detection and Ranging) misst mithilfe von Laserlicht die Entfernung zu Objekten. Ein Laserscanner erzeugt aus einer Wolke von Messpunkten ein dreidimensionales Bild der Umgebung. Für den Erfolg autonomer Fahrzeuge ist die Bestimmung der eigenen Position in einer virtuellen Umgebungskarte essentiell. Lidar verspricht, autonomes Fahren sicherer zu machen, indem es die Navigation vereinfacht und schnellere sowie auch bessere Entscheidungen ermöglicht.

Bild 6: Silcs integrierter FMCW-Lidar-Chip liefert für jeden Messpunkt aus der Umgebung Daten zur Geschwindigkeit und zur räumlichen Tiefe. Das Lidar-System generiert aus dem Szenario (links) eine Darstellung in räumlicher Tiefe (Mitte) und isoliert sich bewegende Objekte (rechts).

Bild 6: Silcs integrierter FMCW-Lidar-Chip liefert für jeden Messpunkt aus der Umgebung Daten zur Geschwindigkeit und zur räumlichen Tiefe. Das Lidar-System generiert aus dem Szenario (links) eine Darstellung in räumlicher Tiefe (mitte) und isoliert sich bewegende Objekte (rechts). Silc

Es ist zu erwarten, dass Lidar-Sensoren in Zukunft ähnlich verbreitet sein werden wie die heutigen Radarsensoren. ToF-Lidar-Systeme sind jedoch anfällig für Multisystem-Interferenzen. Fremde Lidar-Lichtpulse können die Detektoren stören oder sättigen. Im Gegensatz dazu erfolgt das Detektieren bei korrekt implementierten FMCW-Lidar-Systemen praktisch störungsfrei, da nach der Filterung nur ihr eigenes kohärentes Licht auf den Detektor gelangt.

Die interferometrische Abstandsmessung erfasst auch Objektgeschwindigkeiten

Die Geschwindigkeitsinformation für jeden Messpunkt bietet einem autonomen System eine klarere und sicherere Wahrnehmung seiner Umgebung. Eine FMCW-Messung liefert die Radialgeschwindigkeit zu jedem Messpunkt, wodurch ein effektives 4D-Bild entsteht (Bild 6). Bei Laufzeit-Messsystemen (ToF) hingegen erfordert die Geschwindigkeitsinformation des Messpunktes nachfolgende Messungen, die aufgrund von Bewegungsunklarheit oft schwer nachzuvollziehen sind.

FMCW-Lidar auf dem Weg zu hohen Stückzahlen

Die größte Herausforderung bei der Realisierung einer FMCW-Lösung war die kostengünstige Herstellung der benötigten Hochleistungskomponenten in großen Stückzahlen. Der kohärente Ansatz erfordert Laser mit großen Kohärenzlängen (schmale Linienbreiten), sodass das System über Reichweiten von bis zu 300 m funktionieren kann. Zudem sorgt die kohärente Verarbeitung des Lichtes für die Möglichkeit, zusätzliche Informationen zu extrahieren, die quasi in den Photonen enthalten sind.

Für den Aufbau eines kohärenten Empfängers sind daher sehr genaue und rauscharme OSPs (Optical Signal Processing, Schaltungen zur optischen Signalverarbeitung) erforderlich.  Auch spielt die Polarisation eine wichtige Rolle, denn die kohärente Verarbeitung funktioniert nur für Photonen gleicher Polarisation. Weiterhin sind die Wellenlängenstabilität und die Linearität der Laserquelle über die Messperioden entscheidende Faktoren, da sich andernfalls das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich verschlechtert.

Ein derart stabiles, robustes und genau definiertes optisches System aus diskreten Komponenten zu konstruieren, ist sehr schwierig und teuer. Die Lösung, die Silc bietet, integriert alle benötigten optischen Funktionalitäten auf einem einzigen Siliziumchip, wobei Halbleiter-Herstellungsverfahren zum Einsatz kommen, die sich in der standardisierten Fertigung von ICs bewährt haben. Mit diesem Ansatz ist es nun möglich, auch hochkomplexe optoelektronische Schaltungen für photonische Anwendungen zu sehr niedrigen Kosten in einen kleinen Siliziumchip zu integrieren.

Der bei weitem wichtigste Vorteil der FMCW-Technologie ist die Integration aller Komponenten auf einem einzigen Chip, um die Kostenziele des Lidar-Systems zu erreichen, was nur mit FMCW im kurzwelligen Infrarot-Band möglich ist. Zum einen sind die chip-integrierten Wellenleiter für Wellenlängen im Bereich 1550 nm hochtransparent und verlustarm. Zum anderen liegen die Laserspitzenleistungen im Bereich von 100 mW, während sie bei ToF-Lidar-Systemen mehrere hundert Watt betragen.

Bild 7: Auf der CES 2020 erkennt ein Chip der Serie „4D+ Vision“ von Silc in einzelnen Punktwolken eine Sicherheitskamera auf dem Dach eines 190 m entfernten Gebäudes, einen Zebrastreifen in 220 m und einen Laternenmast in über 250 m Entfernung. Die Punktwolken stellen Rohdaten dar, die mit einer typischen Einzelpunktmessung (keine Mittelwertbildung) erfasst wurden.

Bild 7: Auf der CES 2020 erkennt ein Chip der Serie „4D+ Vision“ von Silc in einzelnen Punktwolken eine Sicherheitskamera auf dem Dach eines 190 m entfernten Gebäudes, einen Zebrastreifen in 220 m und einen Laternenmast in über 250 m Entfernung. Die Punktwolken stellen Rohdaten dar, die mit einer typischen Einzelpunktmessung (keine Mittelwertbildung) erfasst wurden. Silc

FMCW-Lidar ist eine interferometrische Abstandsmessung, die abhängig von den spezifischen Einstellungen Punktabstände bis in den Sub-Mikrometer-Bereich auflösen kann. Die Genauigkeit der Laufzeitsysteme (ToF) ist hingegen durch die minimale Messimpulsbreite begrenzt. Während sich Licht mit etwa 30 cm/ns ausbreitet, erreicht das System bei einer Messimpulsdauer von 2 ns eine effektive Entfernungsauflösung von 60 cm. Insbesondere für autonome Anwendungen mit kurzem Aktionsradius kann eine Detektionsunsicherheit von 0,6 m völlig inakzeptabel sein.

Single-Chip-Ansatz für FMCW-Lidar: Serienfertigung im Fokus

Es gibt heute über hundert Lidar-Firmen, und es werden immer mehr, aber weniger als zehn Prozent dieser Unternehmen konzentrieren sich auf die FMCW-Technologie. Nur eine Firma hat bisher einen komplett integrierten Silizium-Photonik-Lidar-Chip vorgestellt.

Das Team von Silc Technologies demonstrierte kürzlich einen Single-Chip-Ansatz, bei dem der Laser, der kohärente optische Schaltkreis und die SiGe-Detektoren auf einem Chip integriert sind. Das Silc-Team kann auf über zwanzig Jahre Erfahrung im Bereich Silizium-Photonik zurückgreifen und seine proprietäre Prozesstechnologie nutzen. Letztere ist gut etabliert und profitiert von einem ausgereiften Fertigungs-Ökosystem, das auf standardisierten Anlagen sowie Verarbeitungsverfahren basiert, die sich bei Silizium-Halbleitern bewährt haben. Die Baugruppenplattform hat sich bereits mit qualifizierten Produkten und Serienfertigung in der Telekommunikation sowie in optoelektronischen Anwendungen von Rechenzentren bewährt.

Lidar, Radar und Kamera für automatisiertes und autonomes Fahren

Beim automatisierten Fahren müssen die beteiligten Unternehmen auf verschiedene Sensorverfahren setzen. Daher ist neben der Kamera und dem Radar-Sensor auch ein Lidar-Sensor erforderlich. Im Rahmen der Sensordatenfusion werden die Daten dieser Sensoren zu einem Umgebungs-Datenbild zusammengefügt. Jeder der drei Sensoren hat dabei besondere Stärken. So liefert Radar beispielsweise auch bei Nebel und Nacht seine Daten, ist aber stark vom Radar-Absorptionsfaktor der reflektierenden Oberfläche abhängig. Kameras benötigen stets genügend Licht und klare Sichtverhältnisse. Lidar wiederum (sowohl ToF-Lidar als auch FMCW-Lidar) funktioniert auch bei völliger Dunkelheit bestens und kommt auch mit hohen Kontrastverhältnissen sehr gut zurecht.

Zudem kommen mit GNSS (Satellitennavigation wie zum Beispiel GPS, Galileo, Glonass, Baidu) und C2x (Car-to-x) noch zwei weitere Sensoren zu Radar, Lidar und Kamera hinzu, die in das zentrale Umfeldmodell ihre Daten mit einspeisen und so die Grundlage für die Sensordatenfusion liefern.

Darüber hinaus unterscheidet sich das Silc-Geschäftsmodell von dem anderer Lidar-Lieferanten. Das Silc-Team weiß um die Komplexität des Lidar-Sensorsystems, das ein Zusammenspiel von Experten aus verschiedenen Disziplinen erfordert. Anstatt in allen Disziplinen herausragende Leistungen selbst erbringen zu müssen, fördert Silc ein reichhaltiges Ökosystem von Akteuren, die ergänzende Lösungen für das eigene optische FMCW-System anbieten. In vielen Fällen werden sich die traditionellen Tier-1-Lieferanten voraussichtlich zu Systemintegratoren für die Gesamtlösung entwickeln.

Das IC: FMCW 4D+ Vision von Silc

  • Laser-Wellenlänge: 1,55 µm
  • Laserleistung: Klasse 1, augensicher
  • Reichweite: über 200 m bei <10 % Reflektivität
  • Auflösung bis zu 0,01 °
  • Informationsbandbreite: 3D-Daten, plus Geschwindigkeit, plus Reflektivität, plus Polarisation für jeden Messpunkt möglich

Silc hat bereits mit der Bemusterung von Entwicklungskits für strategische Kunden begonnen. Während hauseigene Prozesse produktionsreif sind, erweisen sich die Qualifizierungs- und Entwicklungszeiten in der Automobilindustrie als beträchtlich. Silc geht davon aus, dass im kommenden Jahr Alphamuster verfügbar sind, im darauffolgenden Jahr Betamuster und ab 2023 die Serienproduktion für ADAS erfolgt.