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SSL-Lidar und Radar für sicheres autonomes Fahren

| Autor / Redakteur: Christoph Galle * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Lidar ist eine Schlüsselkomponente auf dem Weg zum vollständig autonomen Fahren. In Kombination mit kognitivem Radar lässt die Sicherheit für Fahrzeuge und für industrielle Anwendungen erhöhen.

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Für autonome Fahrzeuge ist die Fahrzeugumfelderkennung essentiell. Möglich macht das eine Kombination aus SSL-Lidar und Radar.
Für autonome Fahrzeuge ist die Fahrzeugumfelderkennung essentiell. Möglich macht das eine Kombination aus SSL-Lidar und Radar.
(Bild: Bosch)

Ob im Verkehr, der Robotik oder der Industrie: Smarte Entwicklungen für die Umfelderkennung sind gefragt. Die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) leistet einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der Technologien. Die elf Fraunhofer- und zwei Leibniz-Institute verfügen als FMD über verschiedene Spezial-Kenntnisse zu den notwendigen Techniken und benötigten Komponenten, welche sich komplementär ergänzen lassen.

Ein Kernbereich der gemeinsamen Aktivitäten sind beispielsweise Solid-State-Lidar-Komponenten (SSL) und -Systeme. Im Automobilbau spielt Lidar eine Schlüsselrolle auf dem Weg zum vollständig autonomen Fahren. Neben dem Automobilmarkt eignet sich Lidar für industrielle Anwendungen, um beispielsweise autonome Transporte zu ermöglichen.

Verschiedene Lidar-Systeme

Im Allgemeinen gibt es zwei verschiedene Ausführungen von Lidar-Systemen. Beim mechanischen Scanning-Lidar kommen mechanisch rotierende Bauteile zum Einsatz, um eine 360°-Ansicht zu erhalten. Bei SSL-Systemen kommen keine beweglichen Teile zum Einsatz. Es entsteht ein begrenztes Field-of-View (FoV) in Kombination mit geringeren Kosten und einem höheren Grad an Zuverlässigkeit. SSL-Systeme sind zuverlässiger und dank ihrer geringen Baugröße eine vielversprechende Entwicklung.

Sie bestehen aus den folgenden Hauptkomponenten: Laserquellen bzw. Laserdioden, optische Elemente (Linsen und Diffusoren), Strahlsteuerungselemente für MEMS-basierte Scanning-Lidar-Systeme, Photodetektoren und Signalverarbeitungseinheiten.

Obwohl es verschiedene Arten und Ansätze von SSLs gibt, lassen sich die Systeme in zwei Haupttypen unterteilen: Flash-Lidar ohne bewegliche Teile zur Ausleuchtung des gesamten Zielbereichs für die Kurz- und Mittelbereichsdetektion und MEMS-basiertes Scanning-Lidar mit Mikrospiegeln zur Strahllenkung für die Ferndetektion bzw. Weitwinkeldetektion (Bild 1).

Lidar-Ansätze und -Komponenten im Automobilbau

Systeme zur Erkennung der Fahrzeugumgebung sind insbesondere Flash-Lidar- und MEMS-basierte Scanning-Lidar-Systeme (Bilder 1 und 2). Flash-Lidar-Systeme sind aufgrund der vollständigen Ausleuchtung in ihrer Reichweite begrenzt und detektieren Objekte in unmittelbarer Nähe des Fahrzeugs, beispielsweise an den Seiten.

Im Gegensatz dazu kommen MEMS-basierte Scanning-Lidar-Systeme für Abstands- und Geschwindigkeitsmessungen von weiter entfernten Objekten zum Einsatz. Sie lenken die Laserstrahlen über Mikrospiegel und erfassen Stück für Stück einen Ausschnitt der Szenerie und ermöglichen so eine höhere Reichweite. Kritische Faktoren für die Leistungsfähigkeit von Lidar-Systemen sind derzeit die Reichweite, die Auflösung, das Sichtfeld und die zuverlässige Detektion des reflektierten Lichts. Dank weiter entwickelter Komponenten bieten sich neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistungsparameter.

Bild 1: MEMS-basiertes Scanning-Lidar mit Mikrospiegeln.
Bild 1: MEMS-basiertes Scanning-Lidar mit Mikrospiegeln.
(Bild: FMD)

Abhängig von den verwendeten Materialien variieren Lidar-Systeme in ihren Wellenlängen. Für Automobilanwendungen werden typischerweise siliziumbasierte, kostengünstigere Systeme mit einer Wellenlänge von 905 nm eingesetzt. Durch den Einsatz von teureren III-V-Verbindungshalbleitern lassen sich in Lidar-Systemen höhere Laserleistungen realisieren. Bei den konventionellen Fahrzeuge sind die Kosten ein entscheidender Faktor.

Bild 2: Ein Flash-Lidar-System bildet die komplette Szenerie ab.
Bild 2: Ein Flash-Lidar-System bildet die komplette Szenerie ab.
(Bild: FMD)

Neben der Erzeugung und Ablenkung des Laserstrahls ist die hochempfindliche Detektion der zurückgeworfenen Strahlpulse entscheidend für die Leistungsfähigkeit eines Lidar-Systems. Hier bieten sich Einzelphotonen-Lawinendioden, kurz SPAD für Single Photon Avalanche Diodes, an. SPADs sind hundertmal empfindlicher als die in Smartphones integrierten Photodioden. Sowohl der Sensor als auch die signalverarbeitende Elektronik können auf einem einzigen Chip aufgebaut werden. Dadurch wird das System besonders klein und kompakt.

Der flexible Einsatz eines Lidar-Systems

Aufgrund der maßgeschneiderten Eigenschaften der Halbleiterlaserdioden lassen sich Lidar-Systeme sehr flexibel nach den jeweiligen Bedürfnissen gestalten. Abhängig vom Halbleitermaterial der Laserdioden lassen sich die Wellenlängen und die Lichtleistung modulieren: GaAs-basierte Laser arbeiten von 0,62 bis 1,2 μm, InP-basierte Laser von 1,25 bis 1,7 μm.

In der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland stehen Hochleistungs-Lidar-kompatible Lichtquellen für den Nanosekunden-Pulsbetrieb zur Verfügung. Sie liefern Pulse definierter Dauer und Wiederholrate sowie Ausgangsleistungen von mehr als 100 W pro Einzelgerät. Laser im Pulsbetrieb (CW-Laser) werden für Lidar-Systeme auf der Basis von Phasenverschiebung und FMCW eingesetzt. Eine monolithische Integration der Lichtquelle und des entsprechenden Detektors kann in der FMD umgesetzt werden.

Scanninig-Lidar-Systeme lassen sich unterschiedlich steuern. MEMS-basierte Scanning-Lidar-Systeme verwenden scannende Mikrospiegel (MEMS-Scanner) zur schnellen Ablenkung des Laserstrahls. 1D- und 2D-Scanvorrichtungen werden aus Polysilizium oder einkristallinem Silizium mit einem qualifizierten, vollständig CMOS-kompatiblen Mikrobearbeitungsprozess hergestellt, der für die Massenfertigung geeignet ist und zu einer sehr robusten und zuverlässigen MEMS-Vorrichtung führt. Im Gegensatz zu Lidar-Systemen mit herkömmlichen Scanner-Komponenten werden Lidar-Systeme durch diese Scanner-Module robuster und ermöglichen höhere Scanraten. Die Antriebsmechanismen der MEMS-Scanner sind anwendungsspezifisch ausgelegt: elektrostatisch, piezoelektrisch oder magnetisch.

Darüber hinaus können MEMS-Scanner durch hermetische Verkapselung mit geneigten Glaskappen vakuumverpackt werden. Je nach Ausführung haben MEMS-Scanner unterschiedliche technische Eigenschaften: reduzierter Stromverbrauch im Vergleich zu konventionellen Ansätzen, ermüdungsfreie, hochtemperaturbeständige, hochreflektierende Beschichtungen (R >99%), on-Chip-Positionserkennung und optische Scanbereiche von 0,1° bis 180°.

Robuste Photodetektoren erfassen ihre Umgebung

Die Rolle der Detektoren ist entscheidend für die Funktionalität, die Sicherheit, die Kosten und die Leistung, insbesondere die Reichweite und die räumliche Auflösung. Licht wird von der Laserquelle des Lidar-Systems in verschiedene Richtungen emittiert. Dieses Licht wird von einem Objekt reflektiert und muss vom Detektor empfangen werden. Innerhalb des Detektionsprozesses müssen die Photonen des reflektierten Lichts korrekt identifiziert werden. Daher sollte Spoofing vermieden und Umgebungslicht unterdrückt werden.

Im Hinblick auf siliziumbasierte Detektoren sind SiPM- und SPAD-Arrays vielversprechende Ansätze. Mit SiPM lässt sich die Intensität des reflektierten Lichts mit Einzel-Photonen-Auflösung kontinuierlich messen. In die Standard-CMOS-Technik integrierte SPAD-Arrays sind in der Lage, einzelne Photonen in jedem Detektorelement mit präziser zeitlicher Auflösung zu detektieren. Damit wird die höchste Empfindlichkeit der Photonendetektion in einem schnellen digitalen Detektor ermögicht. Auf dem Gebiet der III-V-Verbindungshalbleiter bieten die Experten der FMD insbesondere InGaAs-basierte APDs mit interner Signalverstärkung (Gain) und einer spektralen Empfindlichkeit bis zu 1650 nm an.

Künftig kognitive Radarsysteme

Kombinierte Daten aus Radar und Kamera bilden die Grundlage für einen validen Entscheidungsprozess. Die Sensordaten- oder Multisensordatenfusion ist eine Kombination von Sensordaten, die aus unterschiedlichen Datenquellen gewonnen werden. Damit wird das resultierende Bild der Situation und der Prozesse möglichst aussagekräftig. Derzeit wird innerhalb der FMD an einem verbesserten Radar mit 77 GHz gearbeitet. Diese Frequenz ermöglicht eine kompaktere Bauweise und neue Funktionen für Fahrerassistenzsysteme.

Für Anwendungen für das autonome Fahren werden zurzeit vermehrt intelligente Sensorsysteme eingesetzt, die von der adaptiven Signalverarbeitung profitieren. Zukünftig werden kognitive Radarsysteme in der Lage sein, Betriebsparameter und die Wellenform an die Umgebung anzupassen: multifunktionale Nah- und Fernbereichssensoren, um Fußgänger zu erkennen, und neben der Radarfunktion auch Aufgaben der Car-to-Car-Kommunikation übernehmen können.

Kognitives Radar tastet seine Umgebung auf adaptive Weise ab. Es verwendet Informationen aus früheren Messungen, wie die Anzahl der Ziele, ihre Parameter, den Rauschpegel und die Clutter-Verteilung, sowie Kenntnisse aus anderen Quellen (weitere Sensoren oder kartographische Datenbanken). Somit passt das Radar seine eigenen Parameter an. Ein kognitives System besteht aus vier Elementen:

  • einer beleuchteten Szene,
  • dem Sensor,
  • einem Prozessor, der die Rohdaten verarbeitet und die Parameter der Szene abschätzt und so eine Wahrnehmung der Szene erzeugt und
  • einem kognitiven Controller. Dieser optimiert die operativen Parameter des Systems dynamisch und weist die Ressourcen für die nächste Messung zu.

In einer virtuellen Testumgebung ein Radar überprüfen

Um die Verkehrsteilnehmer vor unnötigen Gefahren zu schützen und die gesellschaftliche Akzeptanz für das autonome Fahren zu erhöhen, muss der Fokus auf der Sicherheit liegen. Das gilt für die Funktionstüchtigkeit derzeit verfügbarer Fahrerassistenzsysteme, die bereits heute wichtige sicherheitsrelevante Funktionen in Fahrzeugen übernehmen. Dabei muss die automobile Radarsensorik zuverlässig arbeiten. Dazu bedarf es einer Testumgebung, die eine umfassende Qualifizierung von Kfz-Radarsensoren ermöglicht.

Bild 3: Mit dem Radarzielsimulator „ATRIUM“ wird eine realitätsnahe Simulation von Verkehrsszenarien durch die Synthese eines elektromagnetischen Wellenfeldes möglich.
Bild 3: Mit dem Radarzielsimulator „ATRIUM“ wird eine realitätsnahe Simulation von Verkehrsszenarien durch die Synthese eines elektromagnetischen Wellenfeldes möglich.
(Bild: Fraunhofer FHR)

Mit dem Radarzielsimulator „ATRIUM“ des Fraunhofer FHR wird eine entsprechende Testumgebung für das E-Band realisiert (Bild 3). Damit wird die realitätsnahe Simulation von Verkehrsszenarien durch die Synthese eines elektromagnetischen Wellenfeldes, wobei der Zielsimulator in der Lage sein wird, virtuelle Radarziele in jeder gewünschten Position zu platzieren.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 19/2020 (Download PDF)

Die verwendete und durch das Fraunhofer FHR patentierte Entwicklung erlaubt es, in der finalen Ausbaustufe des Systems bis zu 300 Echos zu erzeugen, die über einen Winkelbereich von 90° angeordnet werden können. Der Radarzielsimulator soll sich vom derzeitigen Stand der Technik abheben und gleichzeitig die Sicherheit und Funktionstüchtigkeit autonomer Fahrzeuge erhöhen.

* Christoph Galle ist für die strategische Weiterentwicklung und Business Development in der FMD im Bereich der Fahrzeugumfelderkennung verantwortlich.

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