為自動駕駛汽車提供更敏銳的電視力

依賴于基于光的圖像傳感器的自動駕駛車輛經(jīng)常難以看到諸如霧的盲目條件。但麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種亞太赫茲輻射接收系統(tǒng)，可以在傳統(tǒng)方法失敗時(shí)幫助駕駛無人駕駛汽車。

亞太赫茲波長在電磁波譜上的微波和紅外輻射之間可以通過霧和塵云輕易地檢測到，而用于自動駕駛車輛的基于紅外的LiDAR成像系統(tǒng)很難。為了檢測物體，亞太赫茲成像系統(tǒng)通過發(fā)射器發(fā)送初始信號; 接收器然后測量反彈亞太赫茲波長的吸收和反射。這會向重新生成對象圖像的處理器發(fā)送信號。

但將亞太赫茲傳感器應(yīng)用于無人駕駛汽車具有挑戰(zhàn)性。敏感，準(zhǔn)確的物體識別需要從接收器到處理器的強(qiáng)輸出基帶信號。由產(chǎn)生這種信號的分立元件制成的傳統(tǒng)系統(tǒng)龐大且昂貴。存在較小的片上傳感器陣列，但它們產(chǎn)生微弱信號。

在2月8日由IEEE Journal of Solid-State Circuits在線發(fā)表的一篇論文中，研究人員描述了一個(gè)芯片上的二維亞太赫茲接收陣列，該陣列的靈敏度要高出幾個(gè)數(shù)量級，這意味著它可以更好地捕獲和解釋子在存在大量信號噪聲的情況下，每個(gè)波長的波長。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們實(shí)施了一種獨(dú)立的信號混合像素方案 - 稱為“外差探測器” - 通常很難密集地集成到芯片中。研究人員大幅縮小了外差探測器的尺寸，使其中許多可以裝入芯片。訣竅是創(chuàng)建一個(gè)緊湊的多用途組件，可以同時(shí)降低輸入信號的混音，同步像素陣列，并產(chǎn)生強(qiáng)大的輸出基帶信號。

研究人員構(gòu)建了一個(gè)原型，它在一個(gè)1.2平方毫米的設(shè)備上集成了一個(gè)32像素的陣列。這些像素比當(dāng)今最好的片上亞太赫茲陣列傳感器的像素靈敏度大約高4300倍。隨著更多的發(fā)展，該芯片可能用于無人駕駛汽車和自動機(jī)器人。

“這項(xiàng)工作的一大動力是為自動駕駛汽車和無人機(jī)提供更好的'電動眼'，”共同作者，電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授，麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)太赫茲集成電子集團(tuán)總監(jiān)Ruonan Han說。技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(MTL)。“當(dāng)環(huán)境惡劣時(shí)，我們的低成本片上亞太赫茲傳感器將與LiDAR發(fā)揮互補(bǔ)作用。”

在論文中加入漢族是第一作者Zhi Hu和合著者Cheng Wang，兩位博士都是博士。在漢族研究小組工作的電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系的學(xué)生。

分散式設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是研究人員稱之為“分散化”。在該設(shè)計(jì)中，稱為“外差”像素的單個(gè)像素產(chǎn)生頻率差拍(兩個(gè)輸入的子太赫茲信號之間的頻率差)和“本地振蕩”，即改變輸入頻率的頻率的電信號。這種“向下混合”過程產(chǎn)生兆赫茲范圍內(nèi)的信號，可以通過基帶處理器輕松解釋。

輸出信號可用于計(jì)算物體的距離，類似于LiDAR如何計(jì)算激光擊中物體和反彈所需的時(shí)間。另外，組合像素陣列的輸出信號，并沿特定方向操縱像素，可以實(shí)現(xiàn)場景的高分辨率圖像。這不僅允許檢測而且還允許識別物體，這在自動車輛和機(jī)器人中是關(guān)鍵的。

外差像素陣列僅在來自所有像素的本地振蕩信號同步時(shí)起作用，這意味著需要信號同步技術(shù)。集中式設(shè)計(jì)包括單個(gè)集線器，其向所有像素共享本地振蕩信號。

這些設(shè)計(jì)通常由較低頻率的接收器使用，并且可能在亞太赫茲頻帶產(chǎn)生問題，其中從單個(gè)集線器產(chǎn)生高功率信號是眾所周知的困難。隨著陣列向上擴(kuò)展，每個(gè)像素共享的功率減小，從而降低了輸出基帶信號強(qiáng)度，這很大程度上取決于本地振蕩信號的功率。結(jié)果，由每個(gè)像素產(chǎn)生的信號可能非常弱，導(dǎo)致低靈敏度。一些片上傳感器已經(jīng)開始使用這種設(shè)計(jì)，但僅限于8個(gè)像素。

研究人員的分散式設(shè)計(jì)解決了這種尺度敏感性的權(quán)衡問題。每個(gè)像素產(chǎn)生其自己的本地振蕩信號，用于接收和下混合輸入信號。此外，集成耦合器使其本地振蕩信號與其相鄰振蕩信號同步。這給每個(gè)像素提供了更多的輸出功率，因?yàn)??本地振蕩信號不會從全球集線器流出。

韓說，新的分散式設(shè)計(jì)的一個(gè)很好的類比是灌溉系統(tǒng)。傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)有一個(gè)泵，通過管道網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)強(qiáng)大的水流，將水分配到許多灑水站點(diǎn)。每個(gè)灑水噴頭噴出的水流量比來自泵的初始流量弱得多。如果您希望灑水噴頭以完全相同的速率脈動，則需要另一個(gè)控制系統(tǒng)。

另一方面，研究人員的設(shè)計(jì)為每個(gè)站點(diǎn)提供了自己的水泵，無需連接管道，并為每個(gè)噴頭提供了強(qiáng)大的水輸出。每個(gè)灑水噴頭還與其鄰居通信以同步其脈搏率。“通過我們的設(shè)計(jì)，可伸縮性基本上沒有邊界，”Han說。“你可以擁有任意數(shù)量的站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)仍然抽出相同數(shù)量的水......并且所有泵都在一起脈動。”

然而，新架構(gòu)可能使每個(gè)像素的占位面積更大，這對陣列方式的大規(guī)模高密度集成提出了巨大挑戰(zhàn)。在他們的設(shè)計(jì)中，研究人員將四個(gè)傳統(tǒng)上獨(dú)立的組件 - 天線，降混器，振蕩器和耦合器 - 的各種功能組合成一個(gè)給予每個(gè)像素的單個(gè)“多任務(wù)”組件。這允許32像素的分散設(shè)計(jì)。

“我們?yōu)樾酒系腫分散式]設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了一個(gè)多功能組件，并結(jié)合了一些分立結(jié)構(gòu)來縮小每個(gè)像素的尺寸，”胡說。“即使每個(gè)像素執(zhí)行復(fù)雜的操作，它仍保持其緊湊性，因此我們?nèi)匀豢梢該碛写笠?guī)模的密集陣列。”

以頻率為導(dǎo)向

為了使系統(tǒng)測量物體的距離，本地振蕩信號的頻率必須是穩(wěn)定的。

為此，研究人員在其芯片中加入了一個(gè)稱為鎖相環(huán)的元件，它將所有32個(gè)本地振蕩信號的亞太赫茲頻率鎖定為穩(wěn)定的低頻參考。因?yàn)橄袼厥邱詈系?，所以它們的本地振蕩信號都具有相同的高穩(wěn)定性相位和頻率。這確保了可以從輸出基帶信號中提取有意義的信息。整個(gè)架構(gòu)可最大限度地減少信號損失并最大化控制。

“總之，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)相干陣列，同時(shí)每個(gè)像素具有非常高的局部振蕩功率，因此每個(gè)像素都能實(shí)現(xiàn)高靈敏度，”胡說。