LiDAR Radar Kombisystem
Überblick
Ziel des Projektes LiRaS ist es eine integrierte Kombination von LiDAR- und Radarsystem mit feinem Auflösungsvermögen zu entwickeln, welches konkurrenzfähig zu modernen, hochauflösenden LiDAR-Systemen ist und eine Redundanzebene zu diesen darstellt. Das neue LiRaS-System stellt bildgebende, dreidimensionale LiDAR- und Radardaten mit hohem Signal-zu-Rausch-Verhältnis bereit. Damit ist es hervorragend für neuartige Fusionskonzepte und sichere, robuste, echtzeitfähige, autonome Fahrfunktionen geeignet. Dabei werden integrierte photonische und elektronische Schaltkreise verwendet, um durch hochqualitative optische Halbleitertechnologien ein ultrapräzises und stabiles Sensorsignal bereit zu stellen
Dieses Sensorsignal basiert auf einem in der Zentralstation erzeugtem Lasersignal, welches mittels optischer Taktverteilung an die unterschiedlichen Sende- und Empfangsschaltungen verteilt wird. In diesen Sende- und Empfangsschaltungen wird dieses Lasersignal direkt für die Realisierung eines LiDARs verwendet. Gleichzeitig kann aus demselben Lasersignal ein elektrisches Radarsignal erzeugt werden, welches kohärent zum originalen LiDAR-Signal ist.
Dadurch entsteht ein kohärentes Messsystem, welches zeitgleich im Mikrowellenbereich als auch im Infrarotbereich Umfelderfassungen durchführt. Da beide Sensorprinzipien kohärent betrieben werden, ist hierfür eine FMCW Signalquelle mit extrem niedrigen Phasenrauschen notwendig. Dazu soll der Ansatz der Universität Paderborn, ein Signalgenerator mit OEPLL und MLL, weiterentwickelt werden.
Motivation
Zur Umsetzung des automatisierten Fahrens der 4. und 5. Stufe (VDA-Definition) bedarf es einer Vielzahl an Informationen aus dem Fahrumfeld. Diese gilt es über Sensoren aufzunehmen und auszuwerten. Um eindeutige Entscheidungen treffen zu können, müssen diese Informationen aus mehreren Quellen stammen, fehlertolerant, manipulationssicher und möglichst unabhängig von äußeren Einflüssen sein. Aktuell verfügbare Systemkomponenten, die diese Ausfallsicherheit und Genauigkeit bieten, sind kostenintensiv und ihre Vernetzung im Fahrzeug ist aufwendig.
Hier setzt das LiRaS-Projekt an: LiRaS vereint Kernkomponenten der Radar- und der auf Laser beruhenden LiDAR-Technologie auf einem Chip, um eine umfassende und ausfallsichere Erfassung des Fahrzeugumfelds zu gewährleisten. Durch die Kombination werden die Vorteile beider Technologien in einem gemeinsamen Sensor vereint und die technologiebedingten Einschränkungen des Einzelsensors ausgeglichen. Somit lässt sich das Fahrzeugumfeld mit unterschiedlichen Messverfahren erfassen und die Perception automatisierter Fahrfunktionen deutlich verbessern. Gleichzeitig sollen die entwickelten LiDAR-Systeme preiswert, flexibel und fehlertolerant sein, um den Anforderungen für automatisiertes Fahren zu genügen.
Ziele und Vorgehen
Die Universität Paderborn verfolgt mit dem Vorhaben LiRaS das wissenschaftlich/technische Ziel einer prototypischen Realisierung eines kombinierten Sensorsystems bestehend aus Radar- und LiDAR-Messsystem für den Einsatz im Fahrzeug. Um dieses übergeordnete Ziel zu erreichen sind eine Anzahl von untergeordneten Zielen unabdingbar. Das sind insbesondere:
- Erforschung und Entwicklung einer kontinuierlich verstimmbaren OEPLL zur Erzeugung von FMCW Signalen mit der Bereitstellung eines optischen Ausgangs.
- Hardwarenahe Systemmodellierung eines Radar-Lidar Kombisystems
- Erforschung und Entwicklung einer Radar-Lidar Sende- und Empfangseinheit
- Monolithische Integration einer Radar-Lidar Sende- und Empfangseinheit in einen modernen EPIC Prozess
- Erforschung und Entwicklung von schmalbandigen elektrooptischen und optoelektronischen Schaltungen.
Innovation und Perspektiven
Die avisierten Innovationen dieses Projektes liegen im Bereich der folgenden technischen Aspekte:
- Erforschung, Entwicklung und Aufbau eines (quasi) kontinuierlichen FMCW-Signalgenerators mittels OEPLL und MLL.
- Untersuchung der Realisierungsfähigkeit eines Radar-Lidar Kombisystems
- Erforschung und Entwicklung eines monolithisch integrierten Radar-Lidar-Sensor-Frontends in einer modernen 45 nm CMOS EPIC Technologie.
Key Facts
- Keywords:
- Radar, Lidar, Kombisystem, Sensorsystem, Sensor-Kombisystem
- Profilbereiche:
- Intelligente Technische Systeme, Optolelektronik und Photonik
- Art des Projektes:
- Forschung
- Laufzeit:
- 05/2024 - 04/2027
- Gefördert durch:
- BMBF
Detailinformationen
Kontakt
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Stephan Kruse, M.Sc.
Schaltungstechnik (SCT) / Heinz Nixdorf Institut
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Jan Brockmeier, M.Sc.
Schaltungstechnik (SCT) / Heinz Nixdorf Institut
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Ergebnisse
Für die Universität Paderborn ist zu erwarten, dass durch die Bearbeitung des Vorhabens die Kompetenzen in den Bereichen Optoelektronik, Photonik, phasenrauscharme Signalquellen, sowie der Hochfrequenztechnik weiter steigen und dies die Aussicht auf weitere Industriekooperationen und öffentlich geförderte wissenschaftliche Grundlagenforschungsprojekte fördert. So wird davon ausgegangen, dass auf Basis der entstehenden Ergebnisse und des gewonnen Know-Hows sowie der einhergehenden Reputation weitere Stellen für wissenschaftliche Mitarbeiter geschaffen und durch Anschlussprojekte im Projektkontext finanziert werden können. Die übergreifende Verwertbarkeit und wirtschaftliche Anknüpfungsfähigkeit der konkreten Arbeitsergebnisse aus dem Projekt wird weiterhin sichergestellt durch die intensive Einbindung der Industriepartner. Zudem wird die Universität Paderborn die Ergebnisse aus dem Projekt in weiterführenden Forschungsprojekten, nationalen und internationalen Publikationen und Konferenzbeiträgen sowie in der Lehre für Studierende der Elektrotechnik und Informatik verwerten. Mit den Erkenntnissen aus dem Projekt wird die Universität Paderborn Forschung und Entwicklung in verschiedenen Industriezweigen, insbesondere aus der Elektrotechnik und der Automobilindustrie, im Rahmen von öffentlich geförderten Forschungsprojekten sowie der Auftragsforschung unterstützen. Als Einrichtung für Grundlagen- und angewandte Forschung steht die Universität Paderborn in engem Kontakt mit vielen Unternehmen aus diesem Marktsegment.