What the LiDAR – was ist überhaupt dieses LiDAR? 

LiDAR steht für Light Detection And Ranging bzw. Light imaging, Detection And Ranging. Bekannt wurde die Technologie aktuell durch einen bekannten Smartphone-Hersteller, der sie unter anderem für die Verbesserung von Augmented Reality-Inhalten nutzen möchte. Auch für das autonome Fahren soll LiDAR die Revolution bringen. Aber was macht die LiDAR-Technologie überhaupt und was ist der Unterschied zu Radar?

Ein kleiner Exkurs vorab: Wieso nicht die Nutzung von Kameras?

Nachdem sich Elon Musk für seine Fahrzeuge gegen die Nutzung von anderen Techniken abseits von Kameras ausgesprochen hat, hagelte es Kritik. Ein großes Problem ist hierbei, dass diese bei schlechten Sichtverhältnissen, zum Beispiel bei Nachtfahrten, keine ausreichenden Informationen liefern. Außerdem können Sie Personen-Nachbildungen, wie die „Achtung Kinder-Aufsteller“, nicht von realen Menschen unterscheiden. Der Vorteil der Kameras ist natürlich, dass sie kostengünstiger sind. Aber LiDAR- und Radar-Sensoren erweisen sich auch bei schlechten Sichtverhältnissen als verlässliche Quellen.

Nun zum Hauptthema: Was ist LiDAR und was ist der Unterschied zu Radar?

LiDAR ist verwandt mit der Radar-Technik, also zunächst einmal eine Erklärung dazu. Radar steht für “

Radio Detection And Ranging”. Im Namen steckt schon der größte Unterschied zur LiDAR-Technik, Radar nutzt Radiowellen, die LiDAR-Sensoren hingegen nutzen Laserstrahlen [1]. Im Vergleich zu den Lichtwellen haben Radiowellen beim Kontakt mit Objekten eine geringere Absorption, wodurch sie über eine längere Distanz funktionieren. Bekannt sind Radar-Systeme vor allem durch die militärische Nutzung, aber auch durch die Ausmessung der Landschaft zur Kartographierung. Der Nachteil der Radar-Technik ist, dass sie im Vergleich zum LiDAR, dessen „Punktwolken“ Strukturen bis ins kleinste Detail darstellen können, eine ungenauere Winkelauflösung hat. So werden zum Beispiel zwei Objekte, die in der gleichen Entfernung im Öffnungswinkel sind, als ein Objekt dargestellt. Da diese zu nah aneinander sind.

Und was ist mit LiDAR?

LiDAR misst mit gebündeltem Licht in Form von Laserstrahlen. Der Vorteil ist, wie eben erwähnt, die hohe Auflösung. LiDAR-Sensoren verschicken bis zu 150.000 Laser-Signale pro Sekunde. Diese Signale werden von Objekten reflektiert und über die zurückkommenden Signale lässt sich der Abstand zum Objekt sehr akkurat bestimmen. Hierbei wird die Zeit, die der Puls braucht, bis er wieder am Quellenursprung (Sensor) ankommt, gemessen. Durch diese genaue Distanzmessung ist die Nutzung von LiDAR fürs autonome Fahren nicht mehr wegzudenken.

Für die Erfassung des Umfelds gibt es verschiedene Varianten. Bei der sogenannten Flash-Technologie wird durch eine gleichzeitige Beleuchtung der gesamten Fläche eine Punktwolke (point cloud) erstellt. Die Scanning-LiDAR-Systeme werden häufiger verwendet und es gibt verschiedene Arten dieser Sensoren. Die Arten, die auf dem Laufzeitprinzip basieren, unterscheiden sich dabei darin, wie die einzelnen gesendeten Laserpulse über die Szene abgelenkt werden. Es gibt zum Beispiel Sensoren, die rotieren, damit die Laserpulse auf 360° abgelenkt werden. Dafür müssen mehrere Sensoren übereinandergelegt werden.

Jetzt zu einer weiteren Kategorie, die auch von Ibeo Automotive Systems genutzt wird: die Solid-State-Sensoren. Diese benötigen keine beweglichen Teile und sind somit um einiges kompakter gebaut. Durch eine Strahlablenkungseinheit werden die Pulse abgelenkt und somit entsteht ein größeres Sichtfeld. Diese Scanning-Sensoren haben ihren Namen nicht von ungefähr. Das Scanning erfolgt quasi durch ein strukturiertes Ableiten der Strahlen, die so die Umgebung präzise erfassen.
 

Doch was ist „Truly Solid-State“?

In der LiDAR-Branche wird viel diskutiert, was denn ein „echter“ Solid-State-Sensor ist. In Ibeos Verständnis beinhalten Solid-State-Sensoren keine beweglichen Teile. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das Field of View (FOV), also das gesamte Sichtfeld, abzudecken.

1. Die erste ist das „Mechanical Scanning“. Hierbei rotiert der Sensor oder ein Spiegel, um einen größeren Radius abzubilden. Dies ist kein Solid-State, da sich hier offensichtlich bewegliche Teile befinden.

2. Das sogenannte „Flashing“ hingegen ist eine Variante ohne bewegliche Teile. Hierbei wird das gesamte FOV mit einem „Flash“ ausgeleuchtet. Dafür wird jede Menge Licht benötigt und somit auch viel optische Leistung. Das ist ein echter Solid-State-Ansatz.

3. Die MEMS [2]-Mirror-Technik ist umstritten, zumindest bezogen auf den Solid-State-Status. Hierbei bewegt sich ein Spiegel minimal auf horizontaler Ebene. Da sich hier trotzdem etwas bewegt, ist es unserer Auffassung nach nicht komplett Solid-State.
 

 

4. Bei der „Spectral deflection“, die in Kombination mit einem Fiber-Sensor verwendet wird, werden verschiedene Wellenlängen ausgesandt. Diese Wellen befinden sich im Infrarot-Bereich [3] und werden auf ein Prisma abgegeben, somit kann ein größeres FOV abgebildet werden. Diese Vorgehensweise ist durch die reine Wellenlängen-Betrachtung jedoch eindimensional. Es ist dennoch ein echter Solid-State-Ansatz.
 

 

5. Optical Phased Arrays (OPA) beschreibt eine Steuerung der Phase und Amplitude von Lichtwellen in sogenannten „Wave Guides“. Auch diese Form ist ein Solid-State-Konzept. Um eine zweidimensionale Darstellung zu bekommen, könnte diese Technik zukünftig mit der Spectral deflection kombiniert werden.

Der Vorteil eines „echten“ Solid-State-Sensors ist, dass durch die fehlenden beweglichen Teile weniger Platz benötigt, das Design einfacher ist und der Preis somit geringer wird. Das macht unsere Sensoren sehr kompakt somit können Kosten eingespart werden.

 

Die Lösung: ibeoNEXT

Ibeo hat sich für die Version der „Sequential Flash LiDAR“ entschieden – einer verbesserten Version der Flashing-Technik: dem ibeoNEXT. Hierbei geht weniger Licht verloren und die optische Leistung kann effektiver genutzt werden. So entsteht ein hochaufgelöstes Bild bzw. eine 3D-Point-Cloud. Das Modul selbst ist so kompakt, dass es auf eine Kreditkarte passt. 

[1] light amplification by stimulated emission of radiation bedeutet Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung

[2] MEMS steht für MicroElectroMechanicalSystem.

[3] Sie sind für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar.

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