LiDAR-Systeme zur Hindernis-Erkennung

Wenn Fahrzeuge selbständig fahren oder unbemannte Luftfahrzeuge allein fliegen sollen, müssen sie Hindernisse selbständig erkennen, um ihnen ausweichen zu können. Die Umfeld-­Beobachtung mit LiDAR-Systemen hat einige Vorteile: Die Systeme sind nicht nur preiswert sondern können auch schnell bis zu einigen hundert Meter Entfernung messen. LiDAR ist übrigens eine Abkürzung für Light Detection And Ranging.

Bei der Messung werden Impulslaser­dioden (PLD) als Sender und Avalanche Photodioden (APD) als Empfänger genutzt; das Messprinzip basiert auf der optischen Laufzeitmessung, auch als Time - of - Flight, ToF, bekannt.

Die optische Lichtlaufzeitmessung
Das Prinzip der optischen Lichtlaufzeitmessung ist einfach erklärt: Eine Impulslaserdiode sendet einen einzelnen kurzen Lichtimpuls aus. Im Idealfall breitet sich das Licht auf dem kürzesten Weg ungestört in der Luft aus, bis es auf ein Hindernis trifft. Am Hindernis wird das Licht reflektiert, und der Impuls läuft zurück, bis er von einer Avalanche ­Photodiode detektiert wird. Die Elektronik, die APD und PLD verbindet, misst den Zeitraum ∆t zwischen dem Aussenden und dem Empfangen des zurückkehrenden Lichtpulses. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht bekannt ist, lässt sich die Distanz d des Hindernisses leicht aus der gestoppten Zeit berechnen.

Physikalische Grundlagen
Licht breitet sich im Vakuum mit der Lichtgeschwindigkeit c aus. Messungen im Vakuum haben folgenden Wert für c ergeben:
c = 299.792.458 Meter/Sekunde

Als Vakuum wird im physikalischen Sinne ein Raum ohne Materie bezeichnet; ihm wird daher die optische Dichte n = 1 zugeordnet.

Kleinste Staubpartikel, wie wir sie in der Luft finden, ändern diese optische Dichte, die auch als Brechzahl n bekannt ist: Wellenlänge und Phasengeschwindigkeit sind kleiner als im Vakuum - also ändert sich auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts: c_Luft = c/n_Luft

Beispielrechnung
Stellen wir uns vor, dass ein Lichtimpuls nach ∆t = 500 ns detektiert wird. Das Hindernis steht in der Distanz d, die gemessene Zeit bezieht sich auf den Hin- und Rückweg des Lichts, also auf 2*d.

Die Entfernung lässt sich im Kopf ausrechnen, wenn wir folgende Näherungswerte zulassen:
c = 300.000.000 m/s = 3*10⁸ m/s
n = 1
Es gilt die Gleichung
∆t = 2*d*n/c = 500 ns = 5*10 ^–7 s
d = 0,5 * (c * ∆t) / n

Der Abstand berechnet sich zu:
d = 0,5* (3*10⁸ m/s * 5*10 ^–7 s)/1
d = 0,5*3*5*10¹ m
= 75 m

Eindrucksvoll erkennt man, welch kleine Zeitabstände für Messungen in kurzen Entfernungen benötigt werden - diese reichen bis in den Nanosekunden-Bereich.

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Autonomes Fahren

Die von Frost & Sullivan veröffentlichte Studie „Automotive LiDAR Market for ADAS and Automated Driving, Global 2016“ erwartet den Vormarsch von LiDAR Technologien beim autonomen Fahren. Das Einsatzgebiet reicht von Spurhalte - Assistenten bis hin zu Autopilot - Funktionen. Die flächendeckende Einführung wird bis zum Jahr 2025 erwartet.

Quelle: frost.com/mb5c

Weitere Produktinformationen:
Impulslaserdioden
Avalanche Photodioden