Photonisch integrierte Lidar-Systeme

So klappt’s mit der autonomen Mobilität

9. Juni 2022, 8:00 Uhr | Autor: Dr. Michael Richter, Scantinel Photonics; Redaktion: Kathrin Veigel
Scantinel Photonics Lidar
© Scantinel Photonics | WFM

Autonomes Fahren ist eines der großen Automotivethemen. Was vor zehn Jahren noch Zukunftsmusik war, ist heute zum Greifen nah. Um diese Vision Wirklichkeit werden zu lassen, werden Autos mit vielen unterschiedlichen Sensoren und Systemen ausgerüstet. Lidar gilt dabei als Schlüsseltechnik.

Light Detection and Ranging, kurz: Lidar, gilt als Wegbereiter zum autonomen Fahren. Nach einhelliger Meinung von Experten wird autonomes Fahren auf Level 3 und höher nicht ohne Lidar funktionieren, denn es ist besonders geeignet bei der Generierung hochauflösender Informationen in Echtzeit. Lidar funktioniert ähnlich wie bereits vielfach eingesetzte Radare, zum Beispiel im Flugverkehr, nur dass sie statt Funkwellen Laserstrahlen aussenden. Die kürzere Wellenlänge (im Vergleich zu Radar) ermöglicht das genauere Erkennen von kleinen Objekten. Deren Reflexionen ergeben ein dreidimensionales Lichtbild.

Aktuell gibt es zwei Verfahren: Time of Flight (TOF) beziehungsweise Laufzeitmessung sowie Frequency-Modulated Continuous Wave (FMCW), das über Frequenzmodulation funktioniert.

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Bild 1: Präzises Abtastmuster mit einem FMCW-Scanner
© Scantinel Photonics

Während bei der ersten Generation von Teil-automatisierten Fahrzeugen in der Regel noch ToF-Lidar-Systeme zum Einsatz kommen, wird für die nächste Generation sehr wahrscheinlich ein Frequenzmoduliertes Dauerstrich-Lidar (FMCW) verwendet, das 10- bis 100-mal empfindlicher ist als herkömmliche ToF-Sensoren und zusätzliche Vorteile wie Doppler-Geschwindigkeitsinformationen und Immunität gegenüber Sonnenlicht oder anderen Lidarsignalen ist. Insbesondere die direkte Messung der Geschwindigkeit zur Objekterkennung und Klassifizierung ist für autonomes Fahren sehr wichtig. Daher sind viele Experten der Meinung, dass sich FMCW-Lidar insbesondere als Sensor der Wahl für autonome Fahrzeuge der Stufen 4 und 5 durchsetzen wird.

Photonik kommt große Bedeutung zu

Zur Realisierung dieser FMCW-Lidar-Systeme der nächsten Generation spielt die Photonik eine zentrale Rolle. Sie gilt längst als Schlüsseltechnologie in der Kommunikationstechnik und wird bereits millionenfach in der Telekommunikation sowie bei optoelektronischen Anwendungen von Rechenzentren eingesetzt. Die Photonik findet nun zunehmend auch ihren Einsatz in der Sensorik. Ein photonischer IC muss dabei nicht nur kosten- und energieeffizient Daten liefern. Die Daten müssen auch genau, reproduzierbar und standardisiert erzeugt werden können.

Ein Bespiel für diese sehr genaue reproduzierbare Datengenerierung ist das Scannen von Objekten bei Lidar-Systemen mit Hilfe von photonischen ICs – sogenannten PICs. In Verbindung mit speziell entwickelten optischen Systemen (sogenannte Kollimatoren) erzeugt ein photonisches Lidar-System sehr gute Scan-Ergebnisse und bietet gleichzeitig einen kompakten und modularen Aufbau.

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Bild 2: Das Scannen von Objekten bei Lidar-Systemen mit Hilfe von photonischen ICs (PICs) erzeugt sehr gute Ergebnisse.
© Scantinel Photonics

Integrierte photonische ICs bieten ein großes Verbesserungspotenzial, was die erreichbare Datenrate, Reichweite, Energieeffizienz und Kompaktheit betrifft. Integriert-optische Sensoren ermöglichen es, Lidar-Systeme mit deutlich besserer Auflösung und zu niedrigeren Kosten als konventionelle Lösungen der ersten Generation zu entwickeln.

PICs bieten zudem die Möglichkeit einer kosteneffizienten Serienfertigung bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit, die in der Automobilindustrie zwingend erforderlich ist. Durch die Möglichkeit, zentrale optische Komponenten wie Laser und Detektoren auf Siliziumchips zu integrieren und unter Verwendung von Techniken wie System-on-Chip- und System-in-Package- Ansätzen ebnen PICs den Weg zur volumengeeigneten Fertigung.

Analog zu FMCW-Radarsensoren, bei denen der Weg auch von diskreten Komponenten wie beweglichen Antennen und dedizierten Signalverarbeitungseinheiten zu hochintegrierten Radar-on-Chip-Lösungen gegangen ist, erfolgt die Hochintegration von FMCW-Lidar-Komponenten zu einer kompakten, modularen System-on-Chip-Lösung.

Neuentwicklung: optoelektronisches FMCW-Lidar-Modul

Scantinel entwickelt derzeit ein optoelektronisches FMCW-Lidar-Modul (OCM), das auf einer CMOS-kompatiblen photonischen Integrationsplattformen basiert. Das Modul besteht aus einem Solid-State-Scanning-PIC mit einer Parallelisierung von FMCW-Kanälen. Das sogenannte Solid-State-Scanning benötigt keine beweglichen Elemente wie zum Beispiel bei MEMS-basierenden Lidar-Systemen, was das System deutlich robuster und weniger störanfällig macht.

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Bild 3: Optoelektronisches FMCW-Lidar-Modul (OCM), das Scantinel Photonics entwickelt hat.
© Scantinel Photonics

Durch die gleichzeitig geschalteten Kanäle ist ein zuverlässiges und genaues Scannen von Objekten möglich. Dieses Modul erzeugt sogar 5D-Daten, also neben der bekannten 3D-Lidar-Darstellung auch Geschwindigkeitsinformation sowie die Reflektivität der Objekte.

Die ersten Muster dieses FMCW-Lidar-System sollen in diesem Herbst an Kunden ausgeliefert werden.

 

Der Autor

Dr. Michael Richter
ist Commercial Managing Director bei Scantinel Photonics.


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