Lasergestützte Abstandsmessung Lidar auf dem Vormarsch

Beim autonomen Fahren ist Lidar nur ein Teil eines umfassenden Sensorsystems.
Beim autonomen Fahren ist Lidar nur ein Teil eines umfassenden Sensorsystems.

Seit die Automobilindustrie das lasergestützte Lidar-Verfahrene als Schlüsseltechnologie für selbstfahrende Autos identifiziert hat, beschäftigen sich die F&E-Abteilungen mit neuen Ansätzen, die Effizienz, Leistungsfähigkeit, Formfaktor und Kosten der Technologie entscheidend verändern können.

Von Winfried Reeb, Leiter Geschäftsbereich Aktive Komponenten bei Laser Components

Die Automobilindustrie bringt frischen Wind in die Lidar-Technologie. Alte Verfahren müssen sich unter neuen Rahmenbedingungen bewähren, und innovative Ansätze eröffnen spannende neue Anwendungsmöglichkeiten. Laser Components ist Hersteller von Impulslaserdioden (PLD) und Avalanche-Photodioden (APD) und seit über 20 Jahren auf dem Markt für industrielle Lidar-Scanner aktiv. Das Unternehmen blickt aktuell auf einen Markt, der gerade erst in Bewegung kommt: Das Marktforschungsinstitut Yole geht davon aus, dass schon in zwölf Jahren weltweit fast 35 Millionen Systeme ausgeliefert werden. Momentan bewegen wir uns im niedrigen einstelligen Millionenbereich.

Emitter und Detektoren

Das Grundprinzip von Lidar ist simpel: Eine PLD sendet einen Lichtimpuls von wenigen Nanosekunden aus, der sich ausbreitet, bis er auf ein Hindernis trifft und dort reflektiert wird. Das Licht kehrt wieder zu seinem Ursprung zurück und wird dort von einem Sensor erfasst. Eine Elektronik misst die Zeit vom Senden des Lichtimpulses zum Empfangen der Reflektion – die sogenannte Time of Flight (ToF). Daraus lässt sich nach einer einfachen Formel der Abstand zwischen Sensor und Hindernis berechnen.

Für den Einsatz in selbstfahrenden Autos müssen die PLDs besondere Anforderungen erfüllen. Zum Beispiel soll die Pulslänge so kurz wie möglich sein, um eine höhere Abtastauflösung zu erzielen. Mit der wachsenden Nachfrage nach automobilen Lidar-Lösungen ist unter den Herstellern ein Wettlauf um die kürzeste Pulslänge entbrannt. Derzeit ist der QuickSwitch von Laser Components mit 2,5 ns eine der schnellsten PLDs auf dem Markt. Für die meisten gängigen Lidar-Scanner hat sich die Infrarot-Wellenlänge 905 nm als Standard etabliert. Erst seit Kurzem wird auch mit anderen Wellenlängen experimentiert.

Auf der Empfängerseite sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen. Bei diesen Elementen kommt es auf die Größe an: Üblicherweise sind die detektierenden APDs in Arrays zu 8, 12 oder 16 Elementen angeordnet. Jeder davon entspricht eine Avalanche-Photodiode (APD), die das jeweilige Licht empfängt und einen Pixel des Gesamtbildes darstellt. So ist der Abstand zwischen den Pixeln ein entscheidender Faktor für ein hochauflösendes Lidar. Die anspruchsvollste Aufgabe ist es jedoch, die Sensoreinheiten so sensibel wie möglich zu gestalten, damit sie auch noch die geringste Spur des reflektierten Strahls erkennen können. Eine höhere Empfindlichkeit lässt sich oft nur durch den Einsatz anderer Materialien oder sogar durch ganz neue Technologien erreichen.

Eine weitere wichtige Frage für automobiles Lidar ist der Abdeckungsbereich. Nach dem oben beschriebenen Grundprinzip kann man mit diesem Verfahren zunächst nur die Distanz eines einzelnen Punktes messen. Schon für die meisten Anwendungen, in denen die Technologie heute zum Einsatz kommt, reicht das nicht aus. Bei Kartografierung oder Verkehrsüberwachung müssen größere Bereiche erfasst werden (Field Of View – FOV). Die Automobilbranche legt zusätzlich großen Wert auf eine hohe Auflösung. Schließlich soll das System auch kleine Hindernisse früh erkennen und entsprechende Reaktionen auslösen.

Um beides zu erreichen, sind verschiedene Lösungen im Gespräch.